Кота шредингера научили исправлять ошибки квантовых компьютеров
В 1935 году Эрвин Шредингер сформулировал мысленный эксперимент, призванный описать парадоксальную природу квантовой физики. Группа ученых из Института Макса Планка создала его оптическую версию, в которой роль «живого и мертвого» кота играют импульсы лазера.
Чтобы воспроизвести мысленный эксперимент в лаборатории, физики обратились к разным моделям. Одна из них опирается на идею, предложенную в 2005 году. В ней суперпозиция двух состояний оптического импульса выступает в роли кота. Группа профессора Герхарда Ремпе разрабатывала оборудование, необходимое для проведения такого эксперимента — в частности, оптический резонатор — последние несколько лет.
«Согласно идее Шредингера, микроскопические частицы, такие как отдельные атомы, могут существовать в двух различных состояниях одновременно. Это называется суперпозицией. Более того, когда такие частицы взаимодействуют с макроскопическими объектами, они могут стать „спутанными“, и макроскопические объекты могут перейти в состояние суперпозиции», — говорит Ремпе, руководитель исследования.
Для своего умозрительного эксперимента Шредингер предлагал представить кота в коробке. Распадающийся радиоактивный атом управлял бы электроцепью, которая убивала бы кота ударом тока. Но в какой момент времени это происходит — снаружи коробки не угадать. Таким образом, пока коробку не открыли, для наблюдателя кот одновременно и жив, и мертв. Хотя, разумеется, такая суперпозиция «противоречит нашему повседневному опыту», указывает Ремпе.
Его команда воспроизвела эксперимент Шредингера на ином техническом уровне. Исследователи оборудовали лабораторию вакуумной камерой и высокоточными лазерами для управления отдельным атомом. Оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, находящихся на расстоянии 0,5 мм, улавливал этот атом. Лазерный импульс направлялся в резонатор и отражался, взаимодействуя с атомом.
В итоге между отраженным светом и атомом возникала запутанность. Измеряя атом, оптический импульс может находиться в состоянии суперпозиции, как кот Шредингера.
Участники проекта не были уверены, что им удастся создать и зафиксировать такие запутанные состояния при помощи технологий нынешнего дня. Основная сложность заключается в необходимости минимизировать оптические потери. Как только ученые добились этого, все измерения подтвердили предсказания Шредингера.
Эксперимент позволит физикам исследовать границы применения квантовой механики и разработать новые методы квантовой коммуникации.
«Кот Шредингера в оригинале был заперт в коробке, чтобы избежать воздействия окружающей среды. Наши оптические состояния не заключены в коробку. Они свободно распространяются в пространстве. И все же они остаются изолированными от среды и сохраняют свои свойства на больших расстояниях. — Подчеркивает Ремпе. — В будущем мы сможем использовать эту технологию для создания квантовых сетей, в которых летающие оптические состояния кота Шредингера передают информацию».
В прошлом году специалисты MIT экспериментально подтвердили существование квантовой запутанности, а также того, что информация в квантовом мире передается в тысячи раз быстрее скорости света. Для этого они использовали свет двух квазаров, которые находились на расстоянии примерно 10 млрд световых лет от Земли.
Эксперимент, проведенный в лаборатории Йельского университета профессором Мишелем Деворе и предложенный Златко Миневым, впервые исследует, как работает квантовый скачок. Результаты, полученные учеными, противоречат позиции Нильса Бора. Прыжки не происходят внезапно или случайно, как считалось до сих пор.
Кот Шредингера — широко известный парадокс квантовой физики, иллюстрирующий идею суперпозиции, то есть способность двух противоположных состояний существовать одновременно и непредсказуемо. Наблюдатель узнает, жив кот в коробке или мертв, только открывая ее. По крайней мере, так считалось раньше, потому что в момент открытия коробки происходит аналог квантового скачка — дискретное и случайное изменение в состоянии во время наблюдения.
Для крошечного объекта вроде электрона, молекулы или искусственного атома с квантовой информацией (кубита) квантовый скачок — это внезапный переход от одного из их энергетических состояний в другое. Разработчикам квантовых компьютеров приходится иметь дело с такими прыжками кубитов, которые свидетельствуют об ошибках в вычислениях.
«Эти прыжки случаются всякий раз, когда мы измеряем кубит, — пояснил профессор Деворе. — Известно, что квантовые прыжки непредсказуемы в долгосрочной перспективе».
Несмотря на это, ученые Йеля захотели знать, возможно ли получить предварительный сигнал, оповещающий о скором прыжке, пишет Science Daily.
Физики применили непрямое наблюдение за сверхпроводящим искусственным атомом. Они использовали три микроволновых генератора, облучающих атом, заключенный в трехмерную полость из алюминия. Микроволновое излучение вызвало квантовый скачок атома. Микроскопический квантовый сигнал этих прыжков можно усилить при комнатной температуре и наблюдать в реальном времени.
Это позволяет видеть внезапное отсутствие фотонов, которые излучаются атомом, возбужденным микроволнами. То есть, выражаясь словами Минева, не просто поймать прыжок, но и обратить его.
Несмотря на то, что квантовые скачки в долгосрочной перспективе дискретны и хаотичны, обращение прыжка вспять означает, что эволюция квантового состояния носит отчасти детерминированный характер. Прыжок всегда осуществляется в той же самой предсказуемой манере из случайной стартовой точки.
«Квантовые прыжки атома в чем-то напоминают извержение вулкана, — сказал Минев. — Они полностью непредсказуемы в долгосрочном периоде. Тем не менее, правильно организовав наблюдение, мы можем с определенностью засечь предварительный сигнал неминуемой катастрофы и предпринять действия до того, как она произойдет».
Помимо вклада в фундаментальную науку, это исследование серьезно продвигает вперед теорию квантовой информации. Ведь возможность надежно контролировать квантовые данные и исправлять ошибки по мере их возникновения — ключевая проблема в развитии полностью функционального квантового компьютера.
«Оптического кота Шредингера» создали не так давно немецкие физики. В их эксперименте роль животного играли импульсы лазера. Этот эксперимент позволил им исследовать границы применения квантовой механики и разработать новые методы квантовой коммуникации.
Физики Йельского университета разработали «исправляющую ошибки квантовую кошку» - устройство, которое сочетает в себе концепцию суперпозиции кота Шредингера (система, существующая в двух состояниях одновременно) с возможностью исправлять сложные ошибки в квантовых вычислениях.
Физики Йельского университета (Yale University) разработали «исправляющую ошибки квантовую кошку» - новое устройство, которое сочетает в себе концепцию суперпозиции кота Шредингера (физическая система, существующая в двух состояниях одновременно) с возможностью исправлять сложные ошибки в квантовых вычислениях. Работа была опубликована в журнале Nature.
В Йеле назвали исследования прорывом, позволяющим серьезно усовершенствовать квантовые компьютеры, повысив их точность.
Квантовые компьютеры при промышленной эксплуатации способны радикально трансформировать множество отраслей, от фармацевтики до финансовых услуг, позволяя проводить вычисления на несколько порядков быстрее, чем любые современные суперкомпьютеры. Йельский университет считается одним из лидеров в области квантовой физики, более 20 лет занимаясь исследованиями в данной сфере, в том числе – проблемами ошибок и точности вычислений.
В традиционном компьютере информация кодируется как 0 или 1. Ошибки, возникающие во время вычислений, - это «перевороты битов», когда закодированный в виде нуля бит случайно переключается на единицу или наоборот. Это исправляется за счет избыточности: используется три «физических» бита информации для обеспечения одного «эффективного», точного бита.
Квантовые информационные биты - кубиты - подвержены как переворотам самих битов, так и «переворотам фазы», при которых кубит случайным образом переключается между квантовыми суперпозициями (когда два противоположных состояния существуют одновременно). До сих пор разработчики квантовых компьютеров пытались исправлять такого рода ошибки традиционным способом, то есть, добавляя все большую избыточность. Она, в свою очередь требует все большого количества физических кубитов для подтверждения истинности каждого эффективного кубита.
В Йеле попытались пойти другим путем – применив принцип Шредингеровского кота. Этот способ описания квантовой суперпозиции заключается в том, что кошку помещают в герметичный ящик с радиоактивным источником и ядом, который сработает, если атом радиоактивного вещества распадется. До тех пор, пока кто-то не откроет ящик, кот, согласно принципу квантовой суперпозиции, остается одновременно и живым, и мертвым. Открытие коробки приводит к тому, что кот меняет свое квантовое состояние на обычное, оказываясь либо на том свете, либо на этом.
Ученые Йеля попытались применить аналогичный подход - использовать умный способ кодирования информации в одной физической системе, чтобы напрямую подавлять один тип ошибок. В отличие от предотвращения ошибок за счет применения множества физических кубитов, используемых для верификации одного эффективного кубита, один «кошачий кубит» может сам по себе предотвращать смещение фазы. Он кодирует эффективный кубит в суперпозицию двух состояний в одной электронной схеме - в данном случае это сверхпроводящий микроволновый резонатор, колебания которого соответствуют двум состояниям «кошачьего кубита».
Самое важное, что исследователям удалось достичь теоретически прогнозируемых результатов достаточно простым способом - подавая сигналы микроволнового диапазона на устройство, которое не намного сложнее, чем обычный сверхпроводящий кубит. Специалисты Йеля заявили, что созданный ими «кошачий кубит» можно перевести из любого состояния суперпозиции в любое другое по команде. Кроме того, был разработан новый способ считывания информации, закодированной в кубите.
«Это делает систему, которую мы разработали, универсальным новым элементом, который, мы надеемся, найдет свое применение во многих аспектах квантовых вычислений со сверхпроводящими цепями», - сказал профессор Йельского университета Майкл Деворет (Michel Devoret).
Стоит отметить, что исследование финансировалось не кем-нибудь, а Министерством обороны США, Исследовательским управлением армии США и Национальным научным фондом.
Ateologia запись закреплена
Физики научили кота Шредингера исправлять ошибки квантовых вычислений.
Квантовые компьютеры способны трансформировать различные отрасли промышленности от фармацевтики до финансовых услуг, обеспечивая на порядки более высокую скорость вычислений, чем современные суперкомпьютеры. Однако, они больше подвержены ошибкам, чем традционные. Йельские физики создали исправляющего ошибки кота – новое устройство, сочетающее в себе идею суперпозиции кота Шредингера со способностью корректировать самые сложные ошибки в квантовых вычислениях.
Ученые из Университета Йеля совершили прорыв в попытке овладеть важным для работы квантовых компьютеров процессом: коррекцией потока ошибок, которые иногда обнаруживаются среди хрупких битов квантовой информации — кубитов — во время выполнения задач.
В отличие от нескольких физических кубитов, необходимых для поддержания одного несущего информацию, смену фазы может предотвратить один «кошачий кубит». Он кодирует информативный кубит в суперпозиции двух состояний внутри одной электронной схемы — в данном случае, сверхпроводящего микроволнового резонатора, колебания которого соответствуют двум состояниям кошачьего кубита.
«Всего этого мы добились благодаря применению сигналов сверхвысокой частоты к устройству, которое ненамного сложнее традиционного сверхпроводящего кубита», — пояснил Александер Гримм, соавтор исследования.
Ученые могут менять кошачий кубит по желанию с одного состояния суперпозиции на любое другое. Вдобавок они разработали новый способ чтения — или идентификации — информации, закодированной в кубите. Созданная ими система может стать многофункциональным элементом, полезным для многих аспектов квантовых вычислений.
Это не первый раз, когда йельский коллектив физиков использует кота Шредингера для квантовых исследований. В прошлом году они изучали с его помощью, как работает квантовый скачок. И получили результаты, которые расходятся с позицией Нильса Бора.
Физики Йельского университета (Yale University) разработали «исправляющую ошибки квантовую кошку» - новое устройство, которое сочетает в себе концепцию суперпозиции кота Шредингера (физическая система, существующая в двух состояниях одновременно) с возможностью исправлять сложные ошибки в квантовых вычислениях. Работа была опубликована в журнале Nature.
В Йеле назвали исследования прорывом, позволяющим серьезно усовершенствовать квантовые компьютеры, повысив их точность.
Квантовые компьютеры при промышленной эксплуатации способны радикально трансформировать множество отраслей, от фармацевтики до финансовых услуг, позволяя проводить вычисления на несколько порядков быстрее, чем любые современные суперкомпьютеры. Йельский университет считается одним из лидеров в области квантовой физики, более 20 лет занимаясь исследованиями в данной сфере, в том числе – проблемами ошибок и точности вычислений.
В традиционном компьютере информация кодируется как 0 или 1. Ошибки, возникающие во время вычислений, - это «перевороты битов», когда закодированный в виде нуля бит случайно переключается на единицу или наоборот. Это исправляется за счет избыточности: используется три «физических» бита информации для обеспечения одного «эффективного», точного бита.
Квантовые информационные биты - кубиты - подвержены как переворотам самих битов, так и «переворотам фазы», при которых кубит случайным образом переключается между квантовыми суперпозициями (когда два противоположных состояния существуют одновременно). До сих пор разработчики квантовых компьютеров пытались исправлять такого рода ошибки традиционным способом, то есть, добавляя все большую избыточность. Она, в свою очередь требует все большого количества физических кубитов для подтверждения истинности каждого эффективного кубита.
В Йеле попытались пойти другим путем – применив принцип Шредингеровского кота. Этот способ описания квантовой суперпозиции заключается в том, что кошку помещают в герметичный ящик с радиоактивным источником и ядом, который сработает, если атом радиоактивного вещества распадется. До тех пор, пока кто-то не откроет ящик, кот, согласно принципу квантовой суперпозиции, остается одновременно и живым, и мертвым. Открытие коробки приводит к тому, что кот меняет свое квантовое состояние на обычное, оказываясь либо на том свете, либо на этом.
Ученые Йеля попытались применить аналогичный подход - использовать умный способ кодирования информации в одной физической системе, чтобы напрямую подавлять один тип ошибок. В отличие от предотвращения ошибок за счет применения множества физических кубитов, используемых для верификации одного эффективного кубита, один «кошачий кубит» может сам по себе предотвращать смещение фазы. Он кодирует эффективный кубит в суперпозицию двух состояний в одной электронной схеме - в данном случае это сверхпроводящий микроволновый резонатор, колебания которого соответствуют двум состояниям «кошачьего кубита».
Самое важное, что исследователям удалось достичь теоретически прогнозируемых результатов достаточно простым способом - подавая сигналы микроволнового диапазона на устройство, которое не намного сложнее, чем обычный сверхпроводящий кубит. Специалисты Йеля заявили, что созданный ими «кошачий кубит» можно перевести из любого состояния суперпозиции в любое другое по команде. Кроме того, был разработан новый способ считывания информации, закодированной в кубите.
«Это делает систему, которую мы разработали, универсальным новым элементом, который, мы надеемся, найдет свое применение во многих аспектах квантовых вычислений со сверхпроводящими цепями», - сказал профессор Йельского университета Майкл Деворет (Michel Devoret).
Стоит отметить, что исследование финансировалось не кем-нибудь, а Министерством обороны США, Исследовательским управлением армии США и Национальным научным фондом.
Читайте также: