Дослідники з фінського Університету Аалто зробили прорив у квантових технологіях, просуваючи дослідження, які отримали Нобелівську премію з фізики 2022 року. Вчені знайшли спосіб проводити експерименти з об'єктами, не взаємодіючи з ними. Це змінює підхід для експерименту з котом Шредінгера і може значно прискорити розвиток квантових обчислень.
Як повідомляє фінський університет Аалто, група дослідників – Шруті Догра, Джон Дж. МакКорд і Георге Сорін Параоану – відкрили новий і набагато ефективніший, ніж будь-коли раніше, спосіб проведення експериментів без взаємодії з тест-об’єктом. Хоча на даному етапі це звучить розпливчасто, ми розглянемо, що насправді означає «дослідження без взаємодії» і який вплив воно може мати на розвиток квантових обчислень, пишуть Економічні новини.
Ейнштейн називав квантову заплутаність «моторошною взаємодією на відстані», і він не міг визнати її існування. Навіть сьогодні ідея про те, що дві частинки можуть впливати на стан одна одної, незалежно від того, знаходяться вони в одній кімнаті чи на двох різних планетах, суперечить здоровому глузду, і все ж вона була підтверджена. У 2022 році за експерименти з квантовими заплутаними фотонами Нобелівську премію з фізики отримали француз Ален Аспект, американець Джон Ф. Клаузер і австрієць Антон Цайлінгер.
Саме останній не тільки довів існування «квантової телепортації», тобто явища передачі свого стану між віддаленими частинками, але й першим експериментально реалізував існуючу раніше лише в теорії ідею «експерименту без взаємодії». за допомогою оптики.
Як не бачити і «бачити»
Тут ми входимо в сферу передової квантової фізики. Вимірювання без взаємодії, тобто знаходження «чогось» без необоротної взаємодії з досліджуваним об’єктом, є основним квантовим ефектом, коли наявність світлочутливого об’єкта визначається без необоротного поглинання фотонів .
Дослідники з Університету Аалто яскраво описують це таким чином:” Уявіть, що у вас є фотоапарат, який може (але не обов’язково!) містити рулон фотоплівки. Ця стрічка настільки чутлива, що контакт навіть з одним фотоном може її знищити”.
Завдання — дослідним шляхом перевірити, чи знаходиться рулон зі стрічкою в камері, не піддаючи його руйнуванню. Використовуючи наші повсякденні класичні засоби, ми не можемо дізнатися, чи є плівка в камері, не піддаючи її потенційному впливу фотонів. Адже для того, щоб ми спостерігали наявність стрічки в камері, світло має спочатку відбитися від цього об’єкта, а потім досягти наших очей.
Однак у квантовому світі експеримент, згаданий вище, абсолютно можливий, що щойно довів Антон Цайлінгер, використовуючи явище квантової заплутаності та квантової когерентності, тобто можливість існування молекули в кількох станах одночасно.
Однак сам опис розвитку експериментів без взаємодії настільки складний, що ми утримаємось від спроб пояснити його докладно. Але давайте хоча б спробуємо це зрозуміти. Проста присутність надчутливого об’єкта в одному з плечей інтерферометра Маха-Цендера змінює вихідні ймовірності, навіть якщо об’єкт не поглинув жодного фотона. На квантовому рівні сама присутність об’єкта визначає, чи ймовірно його виявити без спостереження. Ефективність виявлення можна збільшити, використовуючи квантовий ефект Зенона шляхом повторного «опитування» об’єкта без поглинання [фотона].
«Квантовий ефект Зенона» — явище, засноване на парадоксі Зенона в квантовій фізиці, який зводиться до того, що чим більше ми вивчаємо і спостерігаємо квантову систему, тим більше вона сповільнюється.
Першим, хто помітив, що в квантовій механіці часті вимірювання можуть гальмувати часову еволюцію системи, був Алан Тюрінг, і це явище було експериментально підтверджено в 1989 році.
Новий спосіб дослідження без взаємодії
Дослідники з Університету Аалто відійшли від фотонів і зосередилися на виявленні мікрохвильових імпульсів, що генеруються класичними інструментами з використанням трансмонічних пристроїв, відносно великих надпровідних ланцюгів, які досить малі, щоб все ще взаємодіяти з квантовим світом. Можна сказати, що світло і дзеркала з експериментів Зелінгера замінені мікрохвилями і надпровідниками, але загальна передумова залишається незмінною – ми повинні спостерігати мікрохвильовий чутливий об’єкт за допомогою мікрохвиль таким чином, щоб вони не були безповоротно поглинені.
Вчені довели, що з тестованим пристроєм можна «взаємодіяти» за допомогою мікрохвиль, щоб він жодним чином його не «відчував». Як і у випадку спостереження надчутливої плівки, саме її спостереження (тобто відбиття фотона від її поверхні) руйнує її, так і в цьому випадку завдяки квантовій когерентності можна реєструвати мікрохвильові імпульси без перешкод і поглинання досліджуваний об’єкт. Простіше кажучи, ми можемо спостерігати за об’єктом без будь-якого втручання в нього, в тому числі «дивлячись».
Новий метод прискорить досягнення квантової переваги
Крім того, новий метод не використовує квантовий ефект Зенона, тому він не уповільнює еволюцію квантового процесу, що може бути важливо при використанні цього явища в моніторингу процесів всередині квантових комп’ютерів. Сьогодні саме спостереження порушує квантовий процес, роблячи обчислення квантового комп’ютера, який ми спостерігаємо, майже напевно неправильними. Неінтерактивні спостереження обходять цю проблему, і, крім того, відсутність необхідності уповільнювати квантову еволюцію є ще одним бажаним елементом тут.
Результати дослідження відкривають для вчених новий шлях досягнення квантової переваги, використовуючи меншу кількість кубітів завдяки меншій схильності до помилок і здатності виявляти навіть слабші сигнали.
Георге Сорін Параоану резюмував цей аспект: !У квантових обчисленнях наш метод можна використовувати для діагностики станів мікрохвильових фотонів у деяких елементах пам’яті. Це можна вважати високоефективним способом вилучення інформації без втручання в роботу квантового процесора”.
