Кубиты преодолевают квантовый предел и позволяют дольше кодировать информацию

Странное явление квантовой суперпозиции помогло исследователям преодолеть фундаментальный квантовомеханический предел и придать квантовым объектам свойства, которые делают их полезными для квантовых вычислений в течение более длительных периодов времени.

В течение столетия физики были озадачены тем, где именно следует провести грань между квантовым миром малого и макроскопическим миром, который мы переживаем. В 1985 году физики Энтони Леггетт и Анупам Гарг разработали математический тест это можно было бы применить к объектам и их поведению с течением времени, чтобы диагностировать, достаточно ли они велики, чтобы избежать квантовости. Здесь квантовые объекты идентифицируются по необычно сильной корреляции между их свойствами в разные моменты времени, подобно тому, как их поведение вчера и завтра неожиданно связано.

Объекты, набравшие достаточно высокие баллы в этом тесте, считаются квантовыми, но считалось, что эти оценки ограничены числом, называемым временной границей Цирельсона (TTB). Теоретики считали, что даже квантовые объекты не могут преодолеть эту границу. Но теперь, Ариджит Чаттерджи из Индийского института научного образования и исследований в Пуне и его коллеги разработали способ кардинально разрушить TTB с помощью одного из простейших квантовых объектов.

Они сосредоточились на кубитыкоторые являются основными строительными блоками квантовых компьютеров и других устройств квантовой обработки информации. Кубиты можно создавать разными способами, но исследователи использовали молекулу на основе углерода, содержащую три кубита. Они использовали первый кубит, чтобы контролировать поведение второго «целевого» кубита в течение некоторого времени. Затем они использовали третий кубит для извлечения свойств цели.

Ожидается, что система с тремя кубитами будет ограничена TTB, но Чаттерджи и его коллеги нашли способ, позволяющий целевому кубиту выйти за эту границу экстремальным образом. Фактически, их метод привел к одному из крупнейших нарушений, которое кажется математически правдоподобным. Их секрет заключался в том, чтобы первый кубит контролировал целевой кубит с помощью состояние квантовой суперпозиции. Здесь объект может эффективно воплощать два состояния или поведения, которые кажутся взаимоисключающими. Например, эксперимент команды был похож на первый кубит, который фактически давал указание целевому кубиту одновременно вращаться по и против часовой стрелки.

С течением времени кубит обычно становится жертвой так называемой декогеренции – это означает, что его способность кодировать квантовую информацию разрушается. Но когда целевой кубит нарушил TTB, декогеренция наступила позже, и он сохранил способность кодировать информацию в пять раз дольше, поскольку его поведение во времени контролировалось суперпозицией.

Чаттерджи говорит, что эта надежность желательно и полезно в любой ситуации, когда кубиты должны точно контролироваться, например, для вычислений. Член команды ХС Картик из Гданьского университета в Польше говорят, что в квантовой метрологии существуют процедуры – например, для чрезвычайно точного измерения электромагнитных полей – которые можно улучшить с помощью такого рода управления кубитами.

Ле Луо в Университете Сунь Ятсена в Китае говорят, что, помимо наличия явного потенциала для улучшения протоколов квантовых вычислений, новое исследование также фундаментально расширяет наше понимание того, как квантовые объекты ведут себя с течением времени. Это связано с тем, что резкое нарушение TTB означает, что свойства кубита изменятся. чрезвычайно коррелированный между двумя разными моментами времени, чего просто не может случиться с неквантовыми объектами.

Таким образом, крайнее нарушение TTB является убедительным свидетельством того, насколько много квантовости было во всей трехкубитной системе, говорит Картик, – и примером того, как исследователи все еще раздвигают границы квантового мира.