128
Уявіть собі квантовий комп’ютер, частини якого стоять у різних кімнатах, але поводяться як єдина машина — і для цього їх не потрібно постійно «крутити ручками» та безперервно міряти. Саме таку, на перший погляд фантастичну, картину наблизили фізики з Інституту науки і технології Австрії (ISTA): вони створили квантову «ванну» зі світла, яка автоматично заплутує віддалені кубіти. Цим експериментом, описаним у журналі Physical Review X і переказаним виданням SciTechDaily, вони підтвердили теорію, запропоновану ще 20 років тому.
Що відомо коротко
- Фізики з ISTA експериментально підтвердили 20‑річне квантове передбачення про розподілену заплутаність через спільне середовище.
- Вони створили «квантову ванну» з корельованих фотонів, яка сама заплутує два розділені кубіти без активного керування та повторних вимірювань.
- Система перетворює легше створювану безперервну заплутаність світла на дискретну заплутаність, потрібну для стаціонарних кубітів.
- Заплутаний стан підтримується середовищем і може зберігатися довше за «життя» самих кубітів, залишаючись доступним як ресурс.
- Поки що метод передає близько 10% доступної заплутаності, але його можна масштабувати на більшу кількість віддалених кубітів.
Як квантова «ванна» змушує далекі кубіти діяти разом
У класичному світі, щоб дві машини працювали синхронно, їх треба або жорстко з’єднати, або постійно координувати. У квантовому світі роль такого «надзв’язку» відіграє заплутаність: стани частинок виявляються пов’язаними так, що це неможливо пояснити звичайною фізикою.
Для майбутніх квантових комп’ютерів цього мало всередині одного чипа. Потрібно, щоб рознесені модулі — окремі блоки з кубітами — могли бути заплутані між собою. Це називають розподіленою заплутаністю, і вона критично важлива для масштабних квантових процесорів та квантових мереж.
Раніше для цього зазвичай або посилали ретельно контрольований фотон від одного кубіта до іншого, або змушували кожен кубіт випромінити фотон і потім «зводили» ці фотони, щоб створити заплутаність. Другий підхід навіть приніс Нобелівську премію з фізики 2022 року, але має суттєвий недолік: він потребує багатьох вимірювань і відбору вдалих подій, а заплутаність виникає не щоразу.
Команда ISTA пішла іншим шляхом: замість того, щоб постійно втручатися, вони створили середовище, яке саме «підтягує» кубіти в заплутаний стан. Це середовище — потік корельованих фотонів, своєрідна квантова «ванна», у якій «купаються» два віддалені кубіти.
Безперервна проти дискретної заплутаності: як подружити два світи
Не вся заплутаність однакова. Є так звані безперервні змінні — наприклад, положення чи імпульс маятника, які можуть плавно змінюватися. Заплутані стани такого типу відносно легко створити зі світлом: корельовані фотони можуть мати безперервно пов’язані параметри.
Але більшість практичних квантових пристроїв працюють з дискретними змінними — станами «0» і «1» у кубітах, які більше схожі на перемикач «увімкнено/вимкнено», ніж на плавний повзунок. Саме такі стаціонарні кубіти потрібні для обчислень.
Завданням команди, до якої входили аспірант Алехандро Андрес‑Хуанес (Alejandro Andrés-Juanes) та професор Йоганнес Фінк (Johannes Fink), було перетворити легше створювану безперервну заплутаність світла на корисну дискретну заплутаність кубітів. Вони створили прототип, де корельовані фотони з одного джерела спрямовуються до двох розділених кубітів, і це стало першою експериментальною демонстрацією теоретичної пропозиції, висунутої понад два десятиліття тому.
За словами Андрес‑Хуанеса, їхній підхід дозволяє віддалено стабілізувати заплутані стани, роблячи процес повністю автономним — без активного керування чи вимірювань під час створення заплутаності.
Коли середовище стає джерелом заплутаності
Одна з головних проблем квантових обчислень — як зберегти кубіти когерентними та заплутаними достатньо довго, щоб встигнути виконати корисні операції. Зазвичай середовище навколо кубіта вважають ворогом: воно руйнує крихкі квантові стани.
У новому підході все навпаки: середовище стає союзником. Як пояснює Фінк, у їхньому методі саме квантова «ванна» — тобто оточення кубітів — є джерелом заплутаності. Потік корельованих фотонів створює новий «основний» стан системи, у якому кубіти природно опиняються заплутаними.
Це означає, що заплутаний стан може бути стабілізований навіть довше, ніж триває «життя» самих кубітів. Заплутаність не треба ловити в коротке вікно часу — вона постійно «підживлюється» ванною і залишається доступною як ресурс для подальшої обробки квантової інформації.
Щоб з’єднати кубіти з джерелом заплутаного світла, дослідники використали мікрохвильові фотони. Це низькоенергетичні кванти, які вже лежать в основі провідних систем надпровідних кубітів і добре підходять для керування квантовою інформацією.
Водночас в оптиці та атомній фізиці частіше працюють з оптичними фотонами. Вони можуть стати основою для передачі квантової інформації між віддаленими комп’ютерами через волоконно‑оптичні лінії — ще один напрям, який досліджує група Фінка.
Як перевірили, що кубіти справді заплутані
Щоб переконатися, що два кубіти стали заплутаними, команда використала метод квантової томографії. Ідея в тому, що один вимір «руйнує» квантовий стан, залишаючи лише результат 0 або 1, але багато вимірювань у різних налаштуваннях дозволяють відновити повну картину прихованого стану.
Оскільки кубіти можуть перебувати в суперпозиції, а вимірювання її руйнує, дослідникам довелося збирати дані у надкоротких інтервалах — від 20 до 80 наносекунд (наносекунда — це одна мільярдна частка секунди). На основі великої кількості таких вимірювань вони реконструювали квантовий стан системи та підтвердили наявність заплутаності.
Результат — це поки що демонстрація принципу: спільна квантова ванна може заплутати два інакше ізольовані кубіти. Андрес‑Хуанес зазначає, що запропонований метод відносно простий і потенційно може бути масштабований для синхронізації багатьох віддалених кубітів.
Водночас автономний процес поки що поступається за ефективністю підходам з активним керуванням: нині вдається передати близько 10% доступної заплутаності з ванни до кубітів. Оригінальна теорія припускала ідеальні умови, які важко відтворити в реальному експерименті, що й могло затримати її підтвердження на два десятиліття.
За словами Фінка, їхні експерименти допомогли виявити кілька факторів, які раніше заважали створити працездатну квантову ванну з єдиного джерела корельованих фотонів для розподіленої заплутаності. Тепер цей прототип може стати платформою для нових експериментів у квантовій оптиці та кроком до розширення квантових процесорів у бік стійкої до помилок роботи.
FAQ
Це вже готова технологія для квантових комп’ютерів чи лише перший крок?
Йдеться про доказ принципу, а не про промислову технологію. Система поки що не дуже ефективна і працює з двома кубітами, але показує, що автономна розподілена заплутаність через квантову ванну реально можлива.
Чому підтвердження цієї теорії зайняло понад 20 років?
Початкове передбачення спиралося на ідеальні умови, які важко реалізувати в лабораторії. Лише зараз технології керування фотонами, надпровідними кубітами та вимірювальними системами дозріли настільки, щоб відтворити потрібний режим і виявити приховані обмеження попередніх спроб.
Чим автономна заплутаність краща за методи з активним керуванням?
У традиційних схемах заплутаність виникає на короткий час і її треба встигнути використати. У підході з квантовою ванною середовище постійно підтримує спільний стан, тож заплутаність стає «фоновим ресурсом», до якого можна звертатися за потреби, що спрощує масштабування систем.
Чи можна цей метод застосувати для з’єднання віддалених квантових комп’ютерів?
Робота показує, що спільне квантове середовище може заплутувати розділені кубіти, тож концепція підходить для майбутніх квантових мереж. Однак нинішній прототип працює в лабораторних умовах і потребує подальшого розвитку, зокрема з використанням оптичних фотонів для передачі інформації на великі відстані.
Те, що колись вважали головним ворогом квантових станів — навколишнє середовище, — у цій роботі перетворюється на їхній головний союзник. Якщо ми навчимося масово будувати такі «квантові ванни», то майбутні квантові комп’ютери й мережі можуть працювати не всупереч шумному світу довкола, а завдяки йому — використовуючи сам шум як джерело впорядкованої заплутаності.
Квантова «ванна» змусила розділені кубіти заплутатися самостійно з’явилася спочатку на Цікавості.
