Kubity są podstawowym elementem konstrukcyjnym komputerów kwantowych, ale są również bardzo kruche – trudne do zaobserwowania bez wymazywania ich informacji w procesie. Teraz nowe badania z University of Colorado Boulder i National Institute of Standards and Technology (NIST) mogą być krokiem naprzód w zakresie obsługi kubitów za pomocą lekkiego dotyku.
W badaniu zespół fizyków wykazał, że może odczytywać sygnały z kubitu zwanego kubitem nadprzewodzącym za pomocą światła laserowego, bez jednoczesnego niszczenia kubitu.
Naukowcy twierdzą, że wyniki grupy mogą być ważnym krokiem w kierunku budowy Internetu kwantowego. Taka sieć łączyłaby dziesiątki, a nawet setki chipów kwantowych, umożliwiając inżynierom rozwiązywanie problemów, które są poza zasięgiem nawet najszybszych obecnie dostępnych superkomputerów. Teoretycznie mogliby również użyć podobnego zestawu narzędzi do wysyłania niezniszczalnych kodów na duże odległości.
Badania, które ukażą się 15 czerwca w czasopiśmie Nature, były prowadzone przez JILA, wspólny instytut badawczy CU Boulder i NIST.
„Obecnie nie ma możliwości przesyłania sygnałów kwantowych między odległymi procesorami nadprzewodnikowymi, tak jak przesyłamy sygnały między dwoma klasycznymi komputerami” – powiedział Robert Delaney, główny autor badania i były doktorant JILA.
Delaney wyjaśnił, że tradycyjne bity, które obsługują twój laptop, są dość ograniczone: mogą przyjmować tylko wartość zero lub jeden, liczby, które leżą u podstaw większości programów komputerowych do tej pory. W przeciwieństwie do tego, kubity mogą być zerami, jedynkami lub, dzięki właściwości zwanej „superpozycją”, istnieją jednocześnie jako zera i jedynki.
Ale praca z kubitami jest trochę jak próba złapania płatka śniegu w ciepłą dłoń. Nawet najmniejsze zakłócenie może zawalić tę superpozycję, sprawiając, że wyglądają jak normalne fragmenty.
W nowym badaniu Delaney i jego koledzy wykazali, że mogą obejść tę kruchość. Zespół używa cienkiego jak płytka kawałka krzemu i azotu do przekształcenia sygnału wychodzącego z nadprzewodzącego kubitu w światło widzialne – ten sam rodzaj światła, które już przenosi cyfrowe sygnały z miasta do miasta przez kable światłowodowe.
„Naukowcy przeprowadzili eksperymenty, aby wyodrębnić światło optyczne z kubitu, ale niezakłócanie kubitu w procesie jest wyzwaniem” – powiedziała współautorka badania Cindy Regal, członek JILA i profesor fizyki na CU Boulder.
Skok kwantowy
Dodała, że istnieje wiele różnych sposobów tworzenia kubitu.
Niektórzy naukowcy złożyli kubity poprzez uwięzienie atomu w świetle lasera. Inni eksperymentowali z osadzaniem kubitów w diamentach i innych kryształach. Firmy takie jak IBM i Google rozpoczęły projektowanie chipów komputerów kwantowych przy użyciu kubitów wykonanych z nadprzewodników.
Nadprzewodniki to materiały, w których elektrony mogą poruszać się bez oporu. W odpowiednich warunkach nadprzewodniki będą emitować sygnały kwantowe w postaci maleńkich cząstek światła lub „fotonów”, które oscylują na częstotliwościach mikrofalowych.
I tu zaczyna się problem, powiedział Delaney.
Aby wysłać tego rodzaju sygnały kwantowe na duże odległości, naukowcy musieliby najpierw przekształcić fotony mikrofalowe w światło widzialne lub fotony optyczne, które mogą świstować względnie bezpiecznie przez sieci światłowodowe w całym mieście, a nawet między miastami. Ale jeśli chodzi o komputery kwantowe, osiągnięcie tej transformacji jest trudne, powiedział współautor badania Konrad Lehnert.
Częściowo dzieje się tak dlatego, że jednym z głównych narzędzi, których potrzebujesz, aby zamienić fotony mikrofalowe w fotony optyczne, jest światło laserowe, a lasery są wrogiem kubitów nadprzewodzących. Jeśli nawet jeden zabłąkany foton z wiązki laserowej uderzy w kubit, zostanie on całkowicie wymazany.
„Kruchość kubitów i zasadnicza niezgodność między nadprzewodnikami a światłem laserowym zwykle uniemożliwiają tego rodzaju odczyty” – powiedział Lehnert, członek NIST i JILA.
Tajne kody
Aby ominąć tę przeszkodę, zespół zwrócił się do pośrednika: cienkiego kawałka materiału zwanego przetwornikiem elektrooptycznym.
Delaney wyjaśnił, że zespół zaczyna od zaatakowania płytki, która jest zbyt mała, aby zobaczyć ją bez mikroskopu, światłem lasera. Kiedy fotony mikrofalowe z kubitu wpadają na urządzenie, chwieje się i wypluwa więcej fotonów, ale te teraz oscylują z zupełnie inną częstotliwością. Wchodzi światło mikrofalowe i wychodzi światło widzialne
W najnowszym badaniu naukowcy przetestowali swój przetwornik przy użyciu prawdziwego kubitu nadprzewodzącego. Odkryli, że cienki materiał może osiągnąć tę zmianę, jednocześnie skutecznie utrzymując tych śmiertelnych wrogów, kubity i lasery, odizolowane od siebie. Innymi słowy, żaden z fotonów światła laserowego nie przedostał się z powrotem, aby zakłócić nadprzewodnik.
„Nasz przetwornik elektrooptyczny nie ma dużego wpływu na kubit” – powiedział Delaney.
Zespół nie doszedł do momentu, w którym może przesyłać rzeczywiste informacje kwantowe przez swój przetwornik. Między innymi urządzenie nie jest jeszcze szczególnie wydajne. Do wytworzenia pojedynczego fotonu światła widzialnego potrzeba średnio około 500 fotonów mikrofalowych.
Naukowcy pracują obecnie nad poprawą tego wskaźnika. Gdy to zrobią, w sferze kwantowej mogą pojawić się nowe możliwości. Naukowcy mogliby teoretycznie użyć podobnego zestawu narzędzi do wysyłania sygnałów kwantowych przez kable, które automatycznie usuwałyby ich informacje, gdy ktoś próbuje ich podsłuchiwać.
Innymi słowy, Mission Impossible stało się rzeczywistością, a wszystko to dzięki wrażliwemu kubitowi.