Stvaranje prepoznatljivih stanja za kvantne sustave

Istraživači diljem svijeta utrkuju se u razvoju novih kvantnih sustava za senzore, komunikaciju, računalstvo i kontrolu koji obećavaju nadmašiti tradicionalne sustave. Stvaranje stabilnih, mjerljivih, prepoznatljivih kvantnih stanja, koja bi bila srž svakog takvog sustava, zastrašujući je zadatak.

Kvantna stanja posjeduju jedinstvena svojstva koja se mogu iskoristiti za razvoj novih sustava za obradu informacija. Međutim, dva ključna svojstva, stabilnost i razlučivost, teško je postići. Izdvajanje informacija iz kvantnog sustava ovisi o razlučivosti kvantnih stanja, intrinzičnom svojstvu povezanom sa svojstvom poznatim kao ortogonalnost. Ipak, nijedna dva Gaussova stanja (široko proučavana klasa kvantnih stanja) nisu ortogonalna, a to dovodi do neizbježne pogreške pri pokušaju njihovog razlikovanja.

Osim toga, sadašnji kvantni uređaji obično ostaju stabilni samo djelić sekunde i zahtijevaju složene protokole za razlikovanje stanja. Sada su istraživači s MIT-a i Sveučilišta u Ferrari pronašli novi pristup za stvaranje lako prepoznatljivih stanja koji bi mogao pomoći u razvoju ovih novih uređaja temeljenih na kvantnim tehnologijama.

Novi pristup opisan je u radu objavljenom u časopisu Physical Review A, autora Moea Z. Wina i Petera L. Falba s MIT-a zajedno s Andreom Gianijem i Andreom Conti sa Sveučilišta u Ferrari.

Tim je pronašao način prevođenja između kvantnih stanja svjetlosti i algebarskih varijanti (matematičke strukture iz apstraktne algebre), čineći analizu upravljivijom svođenjem na rješive matematičke jednadžbe.

Tradicionalna računala obično koriste različite napone u čvrstom stanju za kodiranje jedinica i nula, dok optički sustavi mogu koristiti prisutnost ili odsutnost svjetlosnog impulsa. U kvantnim uređajima, stanja mogu biti povezana sa spinskim stanjem jednog atoma ili razinom pobuđenja skupine elektrona.

Posebne vrste stanja proučavane u ovoj teorijskoj analizi imale su veze s energetskim razinama fotona ili čestica svjetlosti. Giani objašnjava da su koristili operaciju nazvanu varijacija fotona. To može imati dva oblika: dodavanje fotona, u kojem se fotoni pobuđuju u više energetsko stanje, ili oduzimanje fotona, u kojem se fotoni anihiliraju (tj. uklanjaju iz sustava). Ove operacije mijenjaju kvantno stanje iz Gaussovog u ne-Gaussovo stanje; upravo se ne-Gaussova stanja čine najkorisnijima, zaključio je tim.

„Domena ne-Gaussovih stanja je prilično velika“, kaže Giani, „ali među njima istražujemo ne-Gaussova stanja koja je lakše implementirati s trenutnim tehnologijama, jer ako želimo prijeći na kvantni svijet, moramo uzeti u obzir realne eksperimentalne izazove.“

Za razliku od nekih vrsta vrhunskih tehnologija koje se proučavaju za moguće kvantne primjene, Giani objašnjava, „ovakve vrste fotonski promjenjivih stanja već su proizvedene u laboratoriju i postoji veliki interes za ovu vrstu operacije.“

Ove vrste stanja su relativno nove, kaže Conti, pa je „postojala potreba za teorijskom karakterizacijom tih stanja“. Teorijska karakterizacija koju je ovaj tim izveo, na temelju temeljnih matematičkih svojstava, omogućuje dizajniranje stanja s višim razinama razlučivosti.

Win kaže da ovim radom „imamo teoriju koja nam daje nacrt za dizajniranje ovih ne-Gaussovih stanja, umjesto da samo 'isprobamo ovo i ono, i nadajmo se da su donekle prepoznatljivi'. "Naša teorija nam govori točno kako pristupiti dizajniranju ortogonalnih ne-Gaussovih stanja."

Win kaže da su nalazi rezultat veze između algebarskih jednadžbi i temeljne fizike: „To je bila važna veza između različitih disciplina - donošenje algebarske geometrije na stol.“

„Jednadžbe koje je trebalo riješiti za određivanje ortogonalnosti“ kvantnih stanja „slučajno su bile polinomske jednadžbe“, kaže Falb. „Slučajno je postojala odgovarajuća matematika za njihovo rješavanje.“

Sada kada su principi utvrđeni ovim radom, implementacija bi trebala biti relativno jednostavna, kažu istraživači. Već postoje neki optički uređaji koji se mogu koristiti za implementaciju ovakvih stanja.

„U principu“, napominje Giani, „možete jednostavno unijeti parametre koje pronađete rješavanjem ovih jednadžbi izravno u svoje fizičke aparate i proizvesti ovakva stanja. Ne mislim da je za to potrebna neka naprednija tehnologija.“

Conti dodaje da „čim ovaj rad bude objavljen, nadamo se da će eksperimentatori moći isprobati ove metode.“