Inżynierowie UNSW przeprowadzili w świecie rzeczywistym dobrze znany kwantowy eksperyment myślowy. Ich odkrycia dostarczają nowego i solidniejszego sposobu wykonywania obliczeń kwantowych i mają ważne implikacje dla korekcji błędów, co jest jedną z największych przeszkód stojących między nimi a działającym komputerem kwantowym.
Mechanika kwantowa intryguje naukowców i filozofów od ponad wieku. Jednym z najsłynniejszych eksperymentów związanych z myślą kwantową jest eksperyment z „kotem Schrödingera” – kotem, którego życie lub śmierć zależy od rozpadu radioaktywnego atomu.
Według mechaniki kwantowej, jeśli atom nie jest obserwowany bezpośrednio, należy uznać, że znajduje się on w superpozycji, czyli będąc w wielu stanach jednocześnie, rozpadu i nierozpadu. Prowadzi to do niepokojącego wniosku, że kot znajduje się w superpozycji martwego i żywego.
„Nikt nigdy nie widział prawdziwego kota w stanie jednocześnie żywym i martwym, ale ludzie używają metafory kota Schrödingera, aby opisać superpozycję stanów kwantowych, które znacznie się od siebie różnią” – mówi profesor UNSW Andrea Morello , lider zespołu, który przeprowadził badania, opublikowane niedawno w czasopiśmie Nature Physics.
Atomowy kot
W swojej pracy badawczej zespół prof. Morello wykorzystał atom antymonu, który jest znacznie bardziej złożony niż standardowe „kubity”, czyli kwantowe elementy budulcowe.
„W naszej pracy «kot» to atom antymonu” – mówi Xi Yu, główny autor artykułu.
„Antymon to ciężki atom, który posiada duży spin jądrowy, co oznacza duży dipol magnetyczny. Spin antymonu może przyjmować osiem różnych kierunków zamiast tylko dwóch. Może to nie wydawać się dużo, ale w rzeczywistości całkowicie zmienia zachowanie superpozycja spinu antymonu skierowanego w przeciwne strony nie jest tylko superpozycją „w górę” i „w dół”, ponieważ istnieje wiele stanów kwantowych oddzielających dwie gałęzie superpozycji.
Ma to poważne konsekwencje dla naukowców pracujących nad zbudowaniem komputera kwantowego wykorzystującego spin jądrowy atomu jako podstawowy element konstrukcyjny.
„Zwykle ludzie używają bitu kwantowego, czyli «kubitu» – obiektu opisanego tylko przez dwa stany kwantowe – jako podstawowej jednostki informacji kwantowej” – mówi współautor Benjamin Wilhelm.
„Jeśli kubit jest spinem, możemy wywołać „spin w dół” stan „0”, a „rozkręcenie” w stanie „1”. Ale jeśli kierunek spinu nagle się zmieni, natychmiast mamy błąd logiczny: 0 zmienia się na 1 lub odwrotnie, za jednym razem. Właśnie dlatego informacja kwantowa jest tak delikatna.”
Ale w atomie antymonu, który ma osiem różnych kierunków spinu, jeśli „0” jest zakodowane jako „martwy kot”, a „1” jako „żywy kot”, pojedynczy błąd nie wystarczy, aby zaszyfrować kod kwantowy.
„Jak głosi przysłowie, kot ma dziewięć żyć. Jedno małe draśnięcie nie wystarczy, aby go zabić. Nasz metaforyczny „kot” ma siedem żyć: potrzeba siedmiu kolejnych błędów, aby zamienić „0” na „1”! To w tym sensie superpozycja stanów spinowych antymonu w przeciwnych kierunkach jest „makroskopowa” – ponieważ zachodzi na większą skalę i jest to zjawisko typu kota Schrödingera” – wyjaśnia Yu.
Skalowalna technologia
Kot antymonowy jest osadzony w krzemowym chipie kwantowym, podobnym do tych, które mamy w naszych komputerach i telefonach komórkowych, ale przystosowanym do zapewnienia dostępu do stanu kwantowego pojedynczego atomu. Chip został wyprodukowany przez dr Danielle Holmes z UNSW, a atom antymonu wprowadzili do chipa koledzy z Uniwersytetu w Melbourne.
„Umieszczając atomowego «kota Schrödingera» w krzemowym chipie, zyskujemy doskonałą kontrolę nad jego stanem kwantowym – lub, jeśli wolimy, nad jego życiem i śmiercią” – mówi dr Holmes.
„Co więcej, umieszczenie „kota” w krzemie oznacza, że w dłuższej perspektywie tę technologię można skalować przy użyciu metod podobnych do tych, które już stosujemy do budowy chipów komputerowych, które mamy dzisiaj”.
Znaczenie tego przełomu polega na tym, że otwiera drzwi do nowego sposobu wykonywania obliczeń kwantowych. Informacje są nadal kodowane w kodzie binarnym „0” lub „1”, ale pomiędzy kodami logicznymi jest więcej „przestrzeni na błędy”.
„Pojedynczy błąd lub nawet kilka błędów nie powoduje natychmiastowego pomieszania informacji” – mówi prof. Morello.
„Jeśli pojawi się błąd, natychmiast go wykrywamy i możemy go poprawić, zanim narosną kolejne błędy. Kontynuując metaforę „kota Schrödingera”, to tak, jakbyśmy widzieli, jak nasz kot wraca do domu z dużym zadrapaniem na twarzy. Jest daleko nie żyje, ale wiemy, że wdał się w bójkę; możemy pójść i dowiedzieć się, kto był przyczyną bójki, zanim sytuacja się powtórzy i nasz kot odniesie dalsze obrażenia”.
Demonstracja wykrywania i korekcji błędów kwantowych – „Święty Graal” w informatyce kwantowej – to kolejny kamień milowy, którym zajmie się zespół.
Praca była efektem szerokiej współpracy międzynarodowej. Kilku autorów z UNSW Sydney oraz współpracownicy z Uniwersytetu w Melbourne wyprodukowali i obsługiwali urządzenia kwantowe. Współpracownicy teoretyczni z USA, w Sandia National Laboratories i NASA Ames oraz w Kanadzie, na Uniwersytecie w Calgary, przedstawili cenne pomysły na temat stworzenia kota i oceny jego skomplikowanego stanu kwantowego.
„Ta praca jest wspaniałym przykładem otwartej współpracy między wiodącymi na świecie zespołami posiadającymi uzupełniającą się wiedzę specjalistyczną” – mówi prof. Morello.