Οι φυσικοί του ISTA επιβεβαίωσαν μια θεωρία που προτάθηκε πριν από 20 χρόνια και η οποία θα μπορούσε να προωθήσει την κβαντική τεχνολογία.
Ένας κβαντικός υπολογιστής
Ένας μελλοντικός κβαντικός υπολογιστής μπορεί να χρειάζεται ξεχωριστές μονάδες για να συμπεριφέρεται ως μία μηχανή, ακόμη και όταν βρίσκονται φυσικά σε απόσταση μεταξύ τους. Αυτό απαιτεί κατανεμημένη διεμπλοκή, μια κβαντική σύνδεση μεταξύ απομακρυσμένων στοιχείων που συνήθως εξαρτάται από τον ενεργό έλεγχο και τις επαναλαμβανόμενες μετρήσεις.
Οι φυσικοί στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστρίας (ISTA) έχουν πλέον επιδείξει μια αυτόνομη εναλλακτική λύση. Το σύστημά τους χρησιμοποιεί ένα «κβαντικό λουτρό» κατασκευασμένο από συσχετισμένα σωματίδια φωτός για να δημιουργήσει κατανεμημένη διεμπλοκή χωρίς συνεχή παρέμβαση. Όπως αναφέρεται στο Physical Review X, το πείραμα επιβεβαιώνει μια θεωρητική πρόβλεψη που έγινε πριν από 20 χρόνια και μπορεί να αποτελέσει τη βάση για μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες.
Η διεμπλοκή είναι μια καθοριστική ιδιότητα της κβαντικής φυσικής στην οποία τα σωματίδια μοιράζονται συσχετίσεις που δεν μπορούν να εξηγηθούν από τις κλασικές θεωρίες. Η επέκταση αυτών των συσχετίσεων σε φυσικά διαχωρισμένα qubits (κβαντικά bits) θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατασκευάσουν μεγαλύτερους κβαντικούς υπολογιστές και να τους συνδέσουν μέσω κβαντικών δικτύων.
Ένα κβαντικό λουτρό αντικαθιστά τον ενεργό έλεγχο
Ο διδακτορικός φοιτητής Alejandro Andrés-Juanes και ο καθηγητής Johannes Fink στο ISTA συνεργάστηκαν με διεθνείς συνεργάτες για να δημιουργήσουν ένα περιβάλλον που συγχρονίζει αυτόματα απομακρυσμένα qubits. Το πρωτότυπό τους κατευθύνει συσχετισμένα σωματίδια φωτός από μια κοινή πηγή προς δύο ξεχωριστά qubits, παρέχοντας την πρώτη πειραματική επίδειξη μιας πρότασης που παρουσιάστηκε πριν από περισσότερες από δύο δεκαετίες.
Δεν έχουν όλες οι διεμπλοκές την ίδια μορφή. Οι συνεχείς μεταβλητές εμπλεκόμενες καταστάσεις είναι σχετικά εύκολο να δημιουργηθούν επειδή οι ιδιότητές τους μπορούν να μεταβάλλονται ομαλά, όπως η συνεχώς μεταβαλλόμενη θέση και ορμή ενός εκκρεμούς. Οι περισσότερες πρακτικές κβαντικές συσκευές, ωστόσο, βασίζονται σε διακριτά μεταβλητά συστήματα, όπου οι σχετικές καταστάσεις συμπεριφέρονται περισσότερο σαν μια επιλογή "όλα ή τίποτα" που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα στατικά qubits.
Διαμόρφωση Κβαντικού Λουτρού
Η πρόκληση ήταν να μετατρέψουμε την πιο εύκολα παραγόμενη συνεχή μορφή στη διακριτή εμπλοκή που χρειάζονται τα qubits.
"Σε αυτήν την εργασία, στοχεύσαμε να ξεπεράσουμε αυτήν την αναντιστοιχία μεταξύ των άμεσα διαθέσιμων και των πρακτικά χρήσιμων μορφών εμπλοκής", λέει ο Andrés-Juanes. "Σταθεροποιώντας τις εμπλεκόμενες καταστάσεις εξ αποστάσεως, η προσέγγισή μας είναι πλήρως αυτόνομη και δεν απαιτεί ενεργό έλεγχο ή μέτρηση."
Η διεμπλοκή διαρκεί περισσότερο από τα ίδια τα qubits
Η διατήρηση των qubits συνεκτικών και διεμπλοκών για αρκετό χρονικό διάστημα ώστε να εκτελούνται χρήσιμοι υπολογισμοί παραμένει ένα από τα κεντρικά εμπόδια στην κβαντική υπολογιστική.
«Στη μέθοδό μας, το κβαντικό λουτρό - δηλαδή το περιβάλλον των qubits - είναι η πηγή της διεμπλοκής. Δημιουργεί μια νέα βασική κατάσταση μέσω μιας συνεχούς ροής συσχετισμένων φωτονίων», λέει ο Fink. «Με αυτόν τον τρόπο, η διεμπλοκή κατάσταση του qubit σταθεροποιείται, ακόμη και πέρα από τη «διάρκεια ζωής» των qubits, και παραμένει πάντα διαθέσιμη ως πόρος για περαιτέρω κβαντική επεξεργασία. Αυτό καθιστά την προσέγγιση εννοιολογικά σημαντική».
Επειδή το λουτρό διατηρεί συνεχώς την κοινή κατάσταση, οι ερευνητές μπορούν να έχουν πρόσβαση στη διεμπλοκή όταν χρειάζεται. Η συμβατική βραχύβια διεμπλοκή πρέπει αντ' αυτού να χρησιμοποιείται κατά τη σύντομη περίοδο που υπάρχει.
Οι ερευνητές συνέδεσαν τα qubits με την πεπλεγμένη πηγή φωτός με φωτόνια μικροκυμάτων. Αυτά τα σωματίδια χαμηλής ενέργειας είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για τον έλεγχο των κβαντικών πληροφοριών και ήδη υποστηρίζουν κορυφαία συστήματα υπεραγώγιμων qubit.
Τα οπτικά φωτόνια χρησιμοποιούνται συχνότερα στην ατομική φυσική και την οπτική. Μπορεί επίσης να καταστήσουν δυνατή τη μεταφορά κβαντικών πληροφοριών μεταξύ ξεχωριστών υπολογιστών μέσω καλωδίων οπτικών ινών, ένας άλλος τομέας που ερευνάται από την ομάδα του Fink στο ISTA.
Οι δοκιμές επιβεβαιώνουν ένα πολλά υποσχόμενο αλλά περιορισμένο πρωτότυπο
Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι τα δύο qubits είχαν ενσωματωθεί που επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας κβαντική τομογραφία, μια μέθοδο που ανακατασκευάζει ένα κβαντικό σύστημα από πολλές ξεχωριστές μετρήσεις.
Για να αποκαλύψουν την υποκείμενη κβαντική κατάσταση πριν χαθεί αυτή η πληροφορία, οι ερευνητές συνέλεξαν μετρήσεις που διαρκούσαν μόνο 20-80 νανοδευτερόλεπτα. Ένα νανοδευτερόλεπτο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Το αποτέλεσμα είναι μια απόδειξη της ιδέας που δείχνει ότι ένα κοινόχρηστο κβαντικό λουτρό μπορεί να εμπλέξει δύο διαφορετικά απομονωμένα qubits. «Παρουσιάζουμε μια σχετικά απλή μέθοδο που θα μπορούσε να κλιμακωθεί για να συγχρονίσει πολλά απομακρυσμένα qubits», λέει ο Andrés-Juanes.
Η αυτόνομη διαδικασία δεν είναι ακόμη τόσο αποτελεσματική όσο οι προσεγγίσεις που ελέγχουν ενεργά τις καταστάσεις των qubit. «Η μέθοδός μας μεταφέρει επί του παρόντος περίπου το 10% της διαθέσιμης διεμπλοκής του λουτρού».
Η αρχική πρόβλεψη υπέθεσε ιδανικές συνθήκες που είναι δύσκολο να αναπαραχθούν πειραματικά, γεγονός που μπορεί να εξηγεί γιατί η επιβεβαίωση χρειάστηκε περισσότερα από 20 χρόνια. «Τα πειράματά μας μας βοήθησαν να αποκαλύψουμε διάφορους παράγοντες που μπορεί να εμπόδισαν τους επιστήμονες να σχεδιάσουν ένα λειτουργικό κβαντικό λουτρό χρησιμοποιώντας μία μόνο πηγή συσχετισμένων φωτονίων για κατανεμημένη διεμπλοκή», λέει ο Fink.
Το πρωτότυπο ISTA μπορεί να υποστηρίξει νέα πειράματα κβαντικής οπτικής και μελλοντικές προσπάθειες για την επέκταση των κβαντικών επεξεργαστών προς λειτουργία ανεκτική σε σφάλματα.
www.worldenergynews.gr
