Нови висини при квантовото заплитане

Надпреварата за квантово превъзходство е в разгара си!

Ако искаме квантови компютри, ще се нуждаем от сложна система от квантово заплетени частици – неразривно свързани, така че каквото и да се случи с едната, незабавно да се отрази върху другите. Разбира се, това е много по-лесно да се каже, отколкото да се направи, но ето че екип от физици са постигнали невъзможното, като са успели да заплетат квантово 20 кюбита в един регистър.

Квантовите битове или кюбити [qubits] са основните градивни елементи на квантовите изчисления, точно както битовете са градивните елементи на традиционните изчисления. Но голямото предизвикателство за кюбита, е, че разчита на една призрачна способност на субатомните частици – spooky action at a distance – да съществуват на повече от едно състояние по едно и също време

Класическите двоични битове могат да съществуват в две състояния – 1 или 0. кюбитите също се основават на двоичната система, но благодарение на заплитането те могат да съществуват в суперпозиция – без едното състояние да елиминира другото, както предполага здравия разум. Това, както сме обсъждали многократно, би позволило създаването на компютър, който е много по-бърз и по-мощен от компютрите, които използваме в момента. Но това ще се случи, само когато успеем да създадем достатъчно големи регистри със заплетени кюбити – нещо познато като Критерий на ДиВинченцо.

В момента съществуват квантови компютри и с повече от 20 кюбита, но синхронизацията между различните по-малки сетове кюбити не се възползва от ефектите на квантовото заплитане. Освен това при опит да се измери един кюбит, се разпада целия регистър, т.е. съхранената информация от квантовото изчисление се губи. Възможността за прочитане на един заплетен кюбит ще позволи на инженерите да създадат инструкции за самокорекция.

Предишният рекорд за квантов регистър с индивидуално адресируеми кюбити беше поставен през 2011, когато физици от лабораторията на Райнер Блат в Института за експериментална физика към университета в Инсбрук, Австрия, за пръв път заплетоха 14 индивидуално адресируеми кюбита. Сега, Блат и екип от физици и теоретици са изградили система от 20 кюбита, чиито квантови състояния могат да бъдат контролирани индивидуално.

В този експеримент регистърът  с кюбити е представен от 20 заредени калциеви атома (или йони), които са подредени в линия, заплетени с помощта на серия от лазери. Екипът е успял да принуди калциевите йони да се заплитат с два, три, или понякога дори четири други калциеви йони в системата. Това не е първият път, когато толкова много частици са били заплетени – но това, което е вълнуващо, е, че екипът е успял да адресира и прочете индивидуално всеки кюбит.

„Съществуват квантови системи, като ултра-студените газове, в които е открито заплитане между голям брой частици“, обяснява водещият на изследването Николай Фриис, физик от Австрийската академия на науките във Виена.

Съществуват и експериментални квантови компютри, които претендират, че използват повече от 20 заплетени кюбитa – като например машината на IBM с 50-кюбитово ядро и 72-кюбитовия Bristlecone на Google. Но в тези случаи отделните квантови състояния на кюбитите не могат да бъдат контролирани, нито пък могат да бъдат индивидуално измерени.

За да се преодолее това, екипът използва йонен капан за ограничаване на калциевите йони, с помощта на магнитно поле. След което с помощта на лазери заплитат квантово йоните, създавайки система от 20-кюбита, като информацията от всеки кюбит е кодирана в електронното състояние на атомния йон.

Трябва да се отбележи, че така заплетена система, включваща множество частици, не може да бъде разглеждана като отделни частици, а като цяло заплетена многокомпонентна система. Това прави измерванията трудни – така че екипът трябвало да създаде метод за прочитане на отделните частици.

Виенският екип успява да разработи метод, който използва само малък брой измервания, които са лесни за оценка. Този метод се използва за едновременното откриване на до три частици в един регистър. Екипът на Улм използва по-сложен, но ефективен, цифров подход. Така успяват да открият заплитането на до пет частици наведнъж. Използвайки тези методи, доказват, че всичките 20 кюбита са заплетени.

Но екипът вярва, че методите, които те са разработили, могат да бъдат използвани за създаване на още по-голям квантов регистър – и тъй като кюбитите могат да се четат поотделно, биха били подходящи за приложения като квантови симулации и квантова обработка на информацията.

Следващият експеримент ще е с 50 кюбита.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *