Квантовата механика е толкова необичайна, че дори гениалният учен, разкрил някои от най-дълбоките тайни на Вселената, гледал с недоверие на определени нейни проявления.
„Призрачно действие от разстояние“
„Призрачно действие от разстояние“ – така Алберт Айнщайн описва квантовото вплитане: странна връзка между частици, за която класическата физика не предлага обяснение.
От гледна точка на класическата физика изглежда, че квантовото вплитане позволява мигновено предаване на информация и така сякаш заобикаля ограничението, наложено от скоростта на светлината. Именно това смущавало Айнщайн.
Представете си например две квантово вплетени монети. Ако хвърлим едната и тя се падне ези, веднага ще знаем как е паднала другата – дори едната монета да се намира на Земята, а другата на Марс.
Причината е, че измерването на състоянието на едната частица незабавно разкрива състоянието на другата. Между тях съществува корелация, която не може да бъде обяснена чрез законите на класическата физика.
Тази необичайна синхронизация стои в основата на квантовите изчисления. Те могат да намерят приложение в машинното обучение, разработването на лекарства, цифровите комуникации и много други важни области.
„Квантова баня“ свързва отдалечени кубити
Сега физици от Института за наука и технологии Австрия (ISTA) и Техническия университет в Мюнхен постигнаха пробив, като потвърдиха експериментално теория за квантовото вплитане, предложена преди 20 години. Резултатът представлява прототип на технология, която би могла да улесни мащабирането на квантовите изчислителни системи.
За да вплетат изолирани кубити, изследователите използвали т.нар. „квантова баня“ от светлинни частици. Кубитите, или квантовите битове, са основните функционални единици на квантовите компютри.
Те са квантовият аналог на битовете – най-малките единици информация в обикновените компютри. Един класически бит може да има една от две стойности: 0 или 1, подобно на превключвател, който е „изключен“ или „включен“.
Кубитът обаче може да се намира в суперпозиция на състоянията 0 и 1. Това означава, че до момента на измерването той може да съществува едновременно и в двете състояния – подобно на прочутата котка на Шрьодингер, затворена в кутия.
При традиционното създаване на квантово вплитане обикновено се използва един от два основни метода. При първия между два кубита се изпраща единичен, активно управляван фотон. При втория – част от протокол, отличен с Нобелова награда – всеки от кубитите излъчва фотон, а двата фотона трябва да бъдат съпоставени.
Тези подходи обаче изискват непрекъснат контрол и прецизна настройка, а резултатът невинаги е надежден.
Новият метод с квантова баня предлага напълно автономен начин за синхронизиране на отдалечени кубити. Двата кубита се облъчват с нискоенергийни микровълни, благодарение на което се създава стабилна и практически приложима форма на вплитане, вместо състояние, чиито характеристики непрекъснато се променят.
„С това изследване се опитахме да преодолеем разминаването между лесно постижимите и действително полезните форми на квантово вплитане“, обяснява Алехандро Андрес-Хуанес, физик от ISTA и водещ автор на проучването.
„Като стабилизира вплетените състояния от разстояние, нашият подход работи напълно автономно и не изисква активно управление или измерване.“
Вплитане на произволно големи разстояния
Съществено предимство на схемата е, че тя може да бъде прилагана на „произволни разстояния“. Теоретично те могат да бъдат значително по-големи от използвания в експеримента 50-сантиметров кабел, който разделял кубитите от фотоните, създаващи вплитането.
Освен това един източник на корелирани, или вплетени, фотони може да бъде управляван така, че да създава множество вплетени двойки.
Разработката има потенциал и за хибридните квантови системи. В тях фотони с различни честоти – например оптична светлина и микровълни – могат да „стабилизират вплитането между кубити, работещи при коренно различни енергийни нива“, посочват учените.
Стабилността е особено важна, защото позволява вплитането да бъде използвано при необходимост. За разлика от него по-краткотрайните вплетени състояния трябва да бъдат оползотворени в ограничен времеви прозорец, преди да се разпаднат.
„По този начин вплетеното състояние на кубитите остава стабилно дори след изтичането на собствения им „живот“ и е постоянно достъпно като ресурс за последваща квантова обработка“, казва Йоханес Финк, физик от ISTA и старши автор на изследването.
„Това придава на подхода сериозно концептуално значение.“
Как учените проверили синхронизацията
Изследователите успели да потвърдят, че кубитите действително са синхронизирани. За целта те измерили състоянието им с помощта на изключително кратки микровълнови импулси, продължаващи едва няколко милиардни части от секундата.
„Кубитите могат да се намират в суперпозиция на различни състояния, но при измерването тази суперпозиция се разрушава и остава само състояние 0 или 1“, отбелязва Андрес-Хуанес.
Това е един от основните проблеми пред квантовите изчисления. Процесът, известен като декохерентност, кара кубитите да губят квантовите си свойства, а с тях – и изчислителните си предимства.
От нови лекарства до по-ефективен транспорт
Все още не е ясно дали квантовите компютри някога ще станат широко достъпни за обикновените потребители. Потенциалните им приложения обаче могат да бъдат изключително значими.
Едва ли скоро ще използваме квантови лаптопи, за да разглеждаме забавни изображения на котки. Технологията обаче би могла да спасява човешки животи, тъй като по-надеждното стабилизиране на кубитите може да ускори разработването на нови лекарства с помощта на квантови изчисления.
Квантовите системи биха могли също да оптимизират ежедневните пътувания и транспортните мрежи, като намират най-ефективните маршрути чрез решаването на класическия проблем на пътуващия търговец.
Квантов компютър. По-голямата част от конструкцията, напомняща златен полилей, представлява охлаждащата система, необходима за понижаването на температурата почти до абсолютната нула. Източник: Bento Orlando / Shutterstock
Мащабируема технология с възможности за развитие
Макар че учените са създали работещ прототип, който доказва приложимостта на концепцията, досегашните методи с активно управление на състоянията на кубитите засега остават по-ефективни.
„На този етап нашият метод успява да прехвърли около 10% от наличното в квантовата баня вплитане“, уточнява Андрес-Хуанес.
По темата: Първият по рода си квантов материал, работещ при стайна температура, е създаден от атоми на злато.
Предложеният подход обаче може да бъде мащабиран и допълнително усъвършенстван. В бъдеще това би могло да разшири възможностите на квантовите компютри и да подпомогне изграждането на по-големи квантови мрежи.
„Представяме сравнително прост метод, който може да бъде разширен така, че да синхронизира множество отдалечени кубити“, допълва Андрес-Хуанес.
Изследването е публикувано в научното списание Physical Review X.
Източник: Science Alert; превод и редакция: Владимир Тодоров
