Физичари са Института за науку и технологију Аустрије (ISTA) потврдили су теорију предложену пре 20 година, што би могло да представља значајан корак напред у развоју квантних технологија.
Будући квантни рачунари могли би да се састоје од више одвојених модула који би функционисали као јединствена машина, чак и када су физички удаљени једни од других. Да би то било могуће, неопходна је такозвана дистрибуирана спрегнутост (ентанглемент) – квантна повезаност између удаљених компоненти која је до сада углавном захтевала активно управљање и поновљена мерења.
Истраживачи са ISTA сада су демонстрирали аутономну алтернативу. Њихов систем користи „квантно купатило“ састављено од корелисаних честица светлости како би створио дистрибуирану спрегнутост без сталне интервенције. Резултати, објављени у часопису Physical Review X, представљају експерименталну потврду теоријског предвиђања старог две деценије и могли би да поставе темеље за будуће квантне технологије.
Квантна повезаност на великим удаљеностима
Спрегнутост је једно од основних својстава квантне физике. Она омогућава честицама да деле корелације које се не могу објаснити класичним физичким теоријама. Проширивање ових корелација на физички раздвојене кубите (квантне битове) могло би да помогне научницима у изградњи већих квантних рачунара и њиховом повезивању у квантне мреже.
До сада су истраживачи користили два главна приступа за спрезање удаљених кубита. Први подразумева слање пажљиво контролисаног фотона са једног кубита на други. Други захтева да сваки кубит емитује фотон, након чега се ти фотони усклађују како би се успоставила спрегнутост.
Управо је рад на овом другом приступу допринео додели Нобелове награде за физику 2022. године. Међутим, ова метода захтева поновљена мерења и селекцију успешних догађаја, што значи да не доводи до спрегнутости сваки пут када се примени.
Квантно купатило као замена за активно управљање
Докторанд Алехандро Андрес-Хуанес и професор Јоханес Финк са ISTA, заједно са међународним сарадницима, развили су окружење које аутоматски доводи удаљене кубите у синхронизацију.
Њихов прототип усмерава корелисане честице светлости из заједничког извора ка два физички раздвојена кубита, чиме је по први пут експериментално потврђена идеја предложена пре више од двадесет година.
Међутим, није свака спрегнутост истог типа. Континуалне варијабле спрегнутих стања релативно је лако генерисати јер се њихова својства могу непрекидно мењати, слично положају и импулсу клатна.
С друге стране, већина практичних квантних уређаја користи дискретне варијабле, где су стања више налик избору између две могућности, што је погодније за рад стационарних кубита.
„У овом раду настојали смо да превазиђемо неслагање између лако доступних и практично употребљивих облика спрегнутости“, објашњава Андрес-Хуанес.
„Стабилизацијом спрегнутих стања на даљину, наш приступ је у потпуности аутономан и не захтева активно управљање нити мерења.“
Спрегнутост која траје дуже од самих кубита
Одржавање кубита у кохерентном и спрегнутом стању довољно дуго да би могли да обављају корисне прорачуне представља један од највећих изазова савременог квантног рачунарства.
„У нашој методи, квантно купатило – односно окружење кубита – представља извор спрегнутости. Оно ствара ново основно стање кроз непрекидан ток корелисаних фотона“, каже Финк.
„На тај начин се спрегнуто стање кубита стабилизује чак и након што би њихов природни век трајања истекао, а оно остаје стално доступно као ресурс за даљу квантну обраду. То овај приступ чини концептуално веома значајним.“
Пошто квантно купатило непрекидно одржава заједничко стање, истраживачи могу да приступе спрегнутости онда када им је потребна. Код конвенционалних метода, краткотрајна спрегнутост мора да се искористи у веома ограниченом временском периоду пре него што нестане.
Улога микроталасних фотона
Истраживачи су повезали кубите са извором спрегнуте светлости помоћу микроталасних фотона. Ове честице ниске енергије посебно су погодне за управљање квантним информацијама и већ се користе у водећим системима заснованим на суперпроводним кубитима.
Оптички фотони су чешћи у атомској физици и оптици, али би могли да омогуће и пренос квантних информација између удаљених квантних рачунара путем оптичких влакана. Управо се тим правцем тренутно бави Финкова истраживачка група на ISTA.
Како је потврђена спрегнутост
Да би проверили да ли су два кубита заиста постала спрегнута, научници су користили квантну томографију – технику која омогућава реконструкцију квантног система на основу великог броја појединачних мерења.
„Кубити могу бити у суперпозицији стања, али се сва та стања урушавају у тренутку мерења, остављајући нас са исходом 0 или 1“, објашњава Андрес-Хуанес.
Да би открили право квантно стање пре губитка информација, истраживачи су вршили мерења која су трајала између 20 и 80 наносекунди. За поређење, једна наносекунда представља милијардити део секунде.
Доказ концепта и пут ка будућим квантним рачунарима
Резултат представља доказ концепта који показује да заједничко квантно купатило може да успостави спрегнутост између два иначе потпуно изолована кубита.
„Представљамо релативно једноставну методу која би могла да се прошири и омогући синхронизацију већег броја удаљених кубита“, истиче Андрес-Хуанес.
Ипак, аутономни процес за сада није једнако ефикасан као приступи који активно контролишу стања кубита.
„Наша метода тренутно преноси око 10 одсто расположиве спрегнутости из квантног купатила“, наводи он.
Првобитна теоријска предвиђања полазила су од идеалних услова које је тешко остварити у лабораторији, што би могло да објасни зашто је било потребно више од две деценије да се ова идеја експериментално потврди.
„Наши експерименти помогли су нам да откријемо неколико фактора који су можда спречавали научнике да конструишу функционално квантно купатило засновано на једном извору корелисаних фотона за дистрибуирану спрегнутост“, каже Финк.
Прототип развијен на ISTA могао би да отвори врата новим експериментима у области квантне оптике, али и да помогне у будућим напорима да се квантни процесори прошире до нивоа неопходног за поуздан и отпоран рад без грешака.
