RW Space

Квантовая механика настолько странна, что даже гений-провидец, описавший тайны Вселенной, казалось, отвергал некоторые ее аспекты как жуткие.

«Жуткое действие на расстоянии» — так Альберт Эйнштейн описал квантовую запутанность, странную связь между частицами, которую не может объяснить классическая физика.

С нашей классической точки зрения, кажется, что он обеспечивает мгновенную связь, тем самым преодолевая скорость света и вызывая гнев Эйнштейна.

Например, если мы подбросим две квантово запутанные монеты и одна упадет решкой вверх, мы сможем точно знать, мгновенно ли вторая монета упадет решкой вверх – даже если одна подброшена на Земле, а другая на Марсе.

Это потому, что измерение одной мгновенно показывает состояние другой, корреляция, не имеющая классического объяснения.

Эта жуткая синхронизация является основой для квантовых вычислений с неисчислимым потенциалом для машинного обучения, фармацевтического дизайна, цифровых коммуникаций и других важных приложений.

Теперь физики из Института науки и технологий Австрии (ISTA) и Технического университета Мюнхена в Германии добились прорыва, экспериментально подтвердив 20-летнюю теорию запутанности и предоставив прототип для масштабирования процессов квантовых вычислений.

Не слишком отличаясь от обливания вспыльчивого чихуахуа из шланга, исследователи использовали «квантовую ванну» из световых частиц, чтобы запутать изолированные кубиты (квантовые биты), функциональные единицы квантовых компьютеров.

Кубиты — это квантовые аналоги битов (двоичных цифр), основных единиц информации, на которых работают обычные компьютеры. Биты могут представлять два значения: 1 или 0, что похоже на положение переключателя «включено» или «выключено».

Однако кубиты могут существовать в суперпозиции состояний 1 и 0 — как в знаменитом состоянии Шрёдингера. полосатый кот в ловушке — метафора того, как такие квантовые частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно.

Более традиционные подходы к запутанности включают два метода. Первый отправляет один активно управляемый фотон между двумя кубитами. Во втором протоколе, получившем Нобелевскую премию, каждый кубит выпускает фотон, который должен быть сопоставлен. Однако это требует постоянной работы и не всегда работает.

Этот метод квантовой ванны предлагает полностью автономный способ синхронизации на расстоянии. кубиты, подвергая их обоих воздействию микроволн низкой энергии, что дает «стационарную» применимую версию запутывания, а не ту, свойства которой колеблются, как у маятника.

«В этой работе мы стремились преодолеть это несоответствие между легкодоступными и практически полезными формами запутанности», — объясняет Алехандро Андрес-Хуанес, физик ISTA и первый автор исследования.

«Стабилизируя запутанные состояния удаленно, наш подход полностью автономен и не требует активного контроля или измерения».

Важно, эта схема может быть применена на «произвольных расстояниях», якобы дальше, чем 50 сантиметров (20 дюймов) кабеля, который отделяет кубиты от фотонов, вызывающих запутывание в этом эксперименте.

Кроме того, одним коррелированным (запутанным) источником фотонов можно манипулировать для генерации множества запутанных пар.

Это исследование также перспективно для гибридных квантовых систем, в которых фотоны на разных частотах, такие как оптический свет и Микроволны могут «стабилизировать запутанность между кубитами, которые работают в совершенно разных энергетических масштабах», отмечают исследователи.

Стабильная запутанность одинаково важна, поскольку ее можно использовать, так сказать, по требованию, а не кратковременные запутанности, которые необходимо использовать оппортунистически:

«Таким образом, запутанное состояние кубита стабилизируется, даже выходит за рамки собственного «срока жизни» кубитов и всегда остается доступным в качестве ресурса для дальнейшей квантовой обработки», — говорит Йоханнес Финк, физик из ISTA и старший автор исследования.

«Это делает подход концептуально значимым».

Наконец, исследователи показали, что они могут проверить, что их кубиты действительно синхронизированы. Они сделали это, используя невероятно короткие микроволновые импульсы, длительностью всего в миллиардные доли секунды, для измерения состояния их кубитов. кубиты.

«Кубиты могут находиться в суперпозиции состояний, но все эти состояния разрушаются, когда мы их измеряем, оставляя нас в состоянии 0 или 1», — отмечает Андрес-Жуанес.

Фактически это одна из фундаментальных проблем квантовых вычислений, поскольку «декогеренция» кубитов лишает их квантового поведения и, следовательно, их вычислительных преимуществ.

Хотя неясно, насколько широко доступными и актуальными квантовые вычисления могут когда-либо стать для общественности, они могут иметь далеко идущие применения.

Даже если маловероятно, что мы будем использовать квантовые ноутбуки для просмотра глупых гифок с котами, это может спасти нам жизни, поскольку улучшенная стабилизация кубитов может привести к квантово-информированным фармацевтическим достижениям.

Или он мог бы оптимизировать ежедневные поездки на работу и сократить транспортировку, решив классическую задачу коммивояжера и найдя наиболее эффективные маршруты.

Наконец, хотя исследователи разработали успешный прототип для проверки концепции, предыдущие подходы, в которых использовался активный контроль состояний кубита, остаются более эффективными.

«Наш метод в настоящее время передает около 10% доступной запутанности ванны», — поясняет Андрес-Жуанес.

По теме: первый квантовый материал такого рода, работающий при комнатной температуре, получен из Атомы золота

Однако это масштабируемая структура, которую можно дополнительно улучшить, что потенциально приведет к расширению возможностей квантовых вычислений и расширению квантовых сетей.

Андрес-Жуанес добавляет: «Мы представляем относительно простой метод, который можно масштабировать для синхронизации нескольких удаленных кубитов».

Это исследование было опубликовано в Physical Review X.