Νέες τεχνικές για ακριβείς μετρήσεις μικροσκοπικών κβαντικών αντικειμένων

Νέα έρευνα με επικεφαλής μια ομάδα επιστημόνων στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Αυστραλίας (ANU) σκιαγράφησε έναν τρόπο για να επιτευχθούν πιο ακριβείς μετρήσεις μικροσκοπικών αντικειμένων χρησιμοποιώντας κβαντικούς υπολογιστές—ένα βήμα που θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμο σε ένα τεράστιο φάσμα τεχνολογιών επόμενης γενιάς, συμπεριλαμβανομένων των βιοϊατρικών εξεύρεση της φόρας.

Η εξέταση των διαφόρων μεμονωμένων ιδιοτήτων ενός μεγάλου καθημερινού αντικειμένου όπως ένα αυτοκίνητο είναι αρκετά απλή: ένα αυτοκίνητο έχει μια καλά καθορισμένη θέση, χρώμα και ταχύτητα. Ωστόσο, αυτό γίνεται πολύ πιο δύσκολο όταν προσπαθούμε να εξετάσουμε μικροσκοπικά κβαντικά αντικείμενα όπως τα φωτόνια—μικροσκοπικά μικρά σωματίδια φωτός.

Αυτό συμβαίνει επειδή ορισμένες ιδιότητες κβαντικών αντικειμένων συνδέονται και η μέτρηση μιας ιδιότητας μπορεί να διαταράξει μια άλλη ιδιότητα. Για παράδειγμα, η μέτρηση της θέσης ενός ηλεκτρονίου θα επηρεάσει την ταχύτητά του και το αντίστροφο.

Τέτοιες ιδιότητες ονομάζονται συζευγμένες ιδιότητες. Αυτή είναι μια άμεση εκδήλωση της περίφημης αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg - δεν είναι δυνατό να μετρηθούν ταυτόχρονα δύο συζευγμένες ιδιότητες ενός κβαντικού αντικειμένου με αυθαίρετη ακρίβεια.

Σύμφωνα με τον κύριο συγγραφέα και Ph.D του ANU. Ο ερευνητής Lorcán Conlon, αυτή είναι μια από τις καθοριστικές προκλήσεις της κβαντικής μηχανικής.

«Καταφέραμε να σχεδιάσουμε μια μέτρηση για να προσδιορίσουμε τις συζευγμένες ιδιότητες των κβαντικών αντικειμένων με μεγαλύτερη ακρίβεια. Είναι αξιοσημείωτο ότι οι συνεργάτες μας μπόρεσαν να εφαρμόσουν αυτή τη μέτρηση σε διάφορα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο», είπε ο Conlon.

"Περισσότερο ακριβείς μετρήσεις είναι ζωτικής σημασίας και μπορούν με τη σειρά τους να ανοίξουν νέες δυνατότητες για όλα τα είδη τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένης της βιοϊατρικής ανίχνευσης, της εμβέλειας με λέιζερ και των κβαντικών επικοινωνιών».

Η νέα τεχνική περιστρέφεται γύρω από μια παράξενη ιδιορρυθμία κβαντικών συστημάτων, γνωστή ως εμπλοκή. Σύμφωνα με τους ερευνητές, μπλέκοντας δύο πανομοιότυπα κβαντικά αντικείμενα Και μετρώντας τα μαζί, οι επιστήμονες μπορούν να προσδιορίσουν τις ιδιότητές τους με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι αν μετρούνταν μεμονωμένα.

«Με το να μπλέκουμε δύο πανομοιότυπα κβαντικά συστήματα, μπορούμε να αποκτήσουμε περισσότερες πληροφορίες», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Δρ. Syed Assad. «Υπάρχει κάποιος αναπόφευκτος θόρυβος που σχετίζεται με τη μέτρηση οποιασδήποτε ιδιότητας ενός κβαντικού συστήματος. Μπλέκοντας τα δύο, είμαστε σε θέση να μειώσουμε αυτόν τον θόρυβο και να έχουμε πιο ακριβή μέτρηση.»

Θεωρητικά, είναι δυνατό να μπερδευτούν και να μετρηθούν τρία ή περισσότερα κβαντικά συστήματα για να επιτευχθεί ακόμη καλύτερη ακρίβεια, αλλά σε αυτή την περίπτωση, τα πειράματα απέτυχαν να συμφωνήσουν με τη θεωρία. Ωστόσο, οι συγγραφείς είναι βέβαιοι ότι οι μελλοντικοί κβαντικοί υπολογιστές θα είναι σε θέση να ξεπεράσουν αυτούς τους περιορισμούς.

"Οι κβαντικοί υπολογιστές με qubits διορθωμένα με σφάλματα θα μπορούν να μετρούν επικερδώς με όλο και περισσότερα αντίγραφα στο μέλλον", δήλωσε ο Conlon.

Σύμφωνα με τον καθηγητή Ping Koy Lam, επικεφαλής κβαντοεπιστήμονα του A*STAR στο Ινστιτούτο Έρευνας και Μηχανικής Υλικών (IMRE), ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα αυτής της εργασίας είναι ότι μια κβαντική ενίσχυση μπορεί ακόμα να παρατηρηθεί σε θορυβώδη σενάρια.

«Για πρακτικές εφαρμογές, όπως στις βιοϊατρικές μετρήσεις, είναι σημαντικό να μπορούμε να δούμε ένα πλεονέκτημα ακόμη και όταν το σήμα είναι αναπόφευκτα ενσωματωμένο σε ένα θορυβώδες πραγματικό περιβάλλον», είπε.

Η μελέτη διεξήχθη από ειδικούς στο Κέντρο Αριστείας ARC για την Κβαντική Τεχνολογία Υπολογισμού και Επικοινωνίας (CQC2T), σε συνεργασία με ερευνητές από το Ινστιτούτο Έρευνας και Μηχανικής Υλικών του A*STAR (IMRE), το Πανεπιστήμιο της Ιένας, το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ, και το Πανεπιστήμιο Macquarie. Η Amazon Web Services συνεργάστηκε παρέχοντας ερευνητική και αρχιτεκτονική υποστήριξη και καθιστώντας διαθέσιμη τη συσκευή Rigetti Aspen-9 χρησιμοποιώντας το Amazon Bracket.

Οι ερευνητές δοκίμασαν τη θεωρία τους σε 19 διαφορετικούς κβαντικούς υπολογιστές, σε τρεις διαφορετικές πλατφόρμες: υπεραγώγιμα, παγιδευμένα ιόντα και φωτονικούς κβαντικούς υπολογιστές. Αυτές οι κορυφαίες παγκοσμίως συσκευές βρίσκονται σε όλη την Ευρώπη και την Αμερική και είναι προσβάσιμες στο cloud, επιτρέποντας σε ερευνητές από όλο τον κόσμο να συνδεθούν και να πραγματοποιήσουν σημαντική έρευνα.