Дослідники Google представили унікальну форму квантової телепортації

Вимірювання можуть кардинально змінити поведінку квантової системи. Вчені досліджують це явище, щоб зрозуміти його наслідки для розподілу та організації даних у квантових комп’ютерах.
Квантова механіка сповнена дивних явищ, але, мабуть, жодне не є таким дивним, як роль вимірювання в теорії. Оскільки вимірювання має тенденцію руйнувати «квантовість» системи, здається, що це таємничий зв’язок між квантовим і класичним світом.

Крім того, коли ми маємо справу з великою системою квантових одиниць даних, які називаються «кубітами», вплив вимірювань може призвести до кардинально різних результатів, навіть спричиняючи появу абсолютно нових фаз квантової інформації.

Це відбувається, коли два конкуруючі ефекти стають головою: взаємодія та вимірювання. У квантовій системі, коли кубіти взаємодіють один з одним, їхня інформація передається нелокально в «заплутаному стані».

Але якщо виміряти систему, заплутаність руйнується. Боротьба між вимірюванням і взаємодіями призводить до двох різних фаз: одна, де домінують взаємодії та поширена заплутаність, і друга, де домінують вимірювання, а заплутаність пригнічується.

Новаторські дослідження квантових фаз

У дослідженні, нещодавно опублікованому в Nature , дослідники з Google Quantum AI і Стенфордського університету спостерігали перехід між цими двома режимами — відомий як «фазовий перехід, викликаний вимірюванням» — у системі до 70 кубітів.

Це, безумовно, найбільша система, в якій досліджувалися ефекти, спричинені вимірюванням. Дослідники також побачили ознаки нової форми «квантової телепортації» — в якій невідомий квантовий стан переноситься з одного набору кубітів в інший — яка виникає в результаті цих вимірювань. Ці дослідження могли б надихнути на нові методи, корисні для квантових обчислень .

Візуалізація заплутаності

Можна візуалізувати заплутаність у системі кубітів як заплутану мережу з’єднань. Коли ми вимірюємо заплутану систему, її вплив на мережу залежить від потужності вимірювання. Він може повністю знищити павутину або відрізати й обрізати окремі нитки павутини, але залишити інші недоторканими.

Насправді побачити цю мережу заплутаності в експерименті, як відомо, складно. Сама павутина невидима, тому дослідники можуть зробити висновок про її існування, лише побачивши статистичні кореляції між результатами вимірювання кубітів.
Багато-багато запусків одного і того ж експерименту потрібно, щоб зробити висновок про структуру мережі. Ця та інші проблеми заважали минулим експериментам і обмежували вивчення спричинених вимірюванням фазових переходів дуже малими розмірами систем.

Вирішення експериментальних проблем

Щоб вирішити ці проблеми, дослідники використали кілька експериментальних хитрощів. По-перше, вони змінили порядок операцій таким чином, щоб усі вимірювання можна було зробити в кінці експерименту, а не чергуватися протягом усього, таким чином зменшивши складність експерименту. По-друге, вони розробили новий спосіб вимірювання певних характеристик мережі за допомогою одного «зондового» кубіта.

Таким чином, вони могли дізнатися більше про мережу заплутаності з меншої кількості експериментів, ніж вимагалося раніше. Нарешті, зонд, як і всі кубіти, був чутливий до небажаного шуму в навколишньому середовищі.

Зазвичай це сприймається як погана річ, оскільки шум може порушити квантові обчислення, але дослідники перетворили цю помилку на функцію, зазначивши, що чутливість зонда до шуму залежить від природи сплутаної мережі навколо нього. Тому вони могли використовувати чутливість зонда до шуму, щоб зробити висновок про заплутаність усієї системи.

Основні спостереження та наслідки

Команда спочатку розглянула цю різницю в чутливості до шуму в двох режимах заплутування і виявила чітко різну поведінку. Коли вимірювання домінували над взаємодіями («фаза розплутування»), нитки павутини залишалися відносно короткими.

Зондовий кубіт був чутливий лише до шуму найближчих кубітів. Навпаки, коли вимірювання були слабшими, а заплутування було більш поширеним («фаза заплутування»), зонд був чутливим до шуму в усій системі. Перехрещення між цими двома різко контрастними характеристиками є ознакою шуканого фазового переходу, викликаного вимірюванням.

Команда також продемонструвала нову форму квантової телепортації, яка природним чином виникла в результаті вимірювань: шляхом вимірювання всіх віддалених кубітів, крім двох, у слабко заплутаному стані, між цими двома віддаленими кубітами було створено сильніше сплутання. Здатність генерувати заплутаність, спричинену вимірюванням, на великих відстанях уможливлює телепортацію, яка спостерігається в експерименті.

Стабільність заплутування відносно вимірювань у фазі заплутування може надихнути на нові схеми, щоб зробити квантові обчислення більш стійкими до шуму. Роль, яку вимірювання відіграють у створенні нових фаз і фізичних явищ, також становить фундаментальний інтерес для фізиків.

Професор Стенфордського університету та співавтор дослідження Ведіка Хемані каже: «Інтеграція вимірювань у динаміку відкриває абсолютно новий майданчик для фізики багатьох тіл, де можна знайти багато захоплюючих і нових типів нерівноважних фаз. У цій роботі ми досліджуємо деякі з цих вражаючих і неінтуїтивних явищ, спричинених вимірюванням, але в майбутньому нас чекає набагато більше багатства».

За матеріалами scitechdaily.com