Автономна квантова «лазня» підтверджує 20-річну теорію стабільного розподіленого заплутування
Уявіть майбутнє, у якому ваш квантовий комп’ютер – це не одна тендітна мікросхема. Це мережа модулів, що фізично розділені, але працюють як єдина узгоджена машина.
Упродовж двох десятиліть фізики знали, що це теоретично можливо. Просто вони не могли довести це без активного та «брудного» управління.
Нещодавно ситуація змінилася.
Дослідники з Інституту науки та технології Австрії (ISTA) підтвердили прогноз 2006 року. Вони продемонстрували “автономне розподілене квантове заплутування”. Жодних повторних вимірів. Жодного активного відбору після факту. Тільки “квантова лазня” (резервуар), яка зберігає зв’язок між кубитами.
Це велике досягнення для квантового зв’язку.
Як квантова «лазня» замінює активне управління
Традиційні способи заплутування віддалених кубитів вимагають великих зусиль.
Зазвичай у вас є два вибори. Направити керований фотон від A до B. Або змусити обидва кубіти випромінювати фотони, а потім зіставити їх. Останній підхід приніс Нобелівську премію 2022 року. Це елегантно. Але також ненадійно. Це залежить від випадку. Найчастіше це не спрацьовує. Вам доводиться просіювати шум, щоб знайти сигнал.
Алеjandro Андрес-Хуанес та професор Йоханнес Фінк з ISTA вибрали інший шлях.
Вони створили квантову «лазню».
Уявіть це як довкілля. Загальне джерело корелейованих частинок світла спрямовує енергію до двох розділених кубитов. Лазня робить всю роботу. Вона автоматично приводить кубити у синхронність.
«Стабілізуючи заплутані стани віддалено, наш підхід повністю автономен і вимагає активного управління чи вимірів».
Це вирішує конкретну невідповідність.
Природа любить заплутування безперервних змінних. Воно тече плавно. Як становище маятника. Легко творити.
Більшості квантових комп’ютерів потрібно “заплутування дискретних змінних”. Двійковий. Все чи нічого. Важко генерувати безпосередньо.
Команда ISTA використовувала лазню для перетворення безперервного в дискретне. Вони містили розрив тим, що легко виробляти, і тим, що практично корисно.
Чому заплутування живе довше за кубити
Ось головна перевага.
У стандартних системах заплутування швидко. Воно вмирає, коли кубити зазнають декогеренції. Доводиться діяти швидко. Якщо пропустити вікно – зв’язок рветься.
Квантова “лазня” змінює правила гри.
Саме середовище стає джерелом стабільності. Безперервний потік мікрохвильових фотонів підтримує загальний стан.
Це створює новий основний стан.
Заплутаний стан живе довше, ніж природний час життя окремих кубітів. Воно залишається доступним. Завжди готовий. Це концептуально значуще. Вам не потрібно поспішати. Ви звертаєтеся до ресурсу, коли вам потрібно.
Андрес-Хуанес зазначає, що цей метод масштабуємо. Він обмежений двома кубитами. Ви можете синхронізувати кілька віддалених процесорів.
Де це місце у квантовому ландшафті
В експерименті використовувалися надпровідні кубити. Це робочі конячки таких компаній, як IBM та Google.
«Лазня» спілкувалася за допомогою мікрохвильових фотонів. Низька енергія. Точний контроль.
Але є ширша мета.
Група Фінка також вивчає оптичні фотони. Вони проходять оптоволоконними кабелями. Вони передають квантову інформацію великі відстані. Мікрохвильові фотони обробляють локальне обчислювальне завдання. Оптичні фотони забезпечують далекі сполуки.
Прототип ISTA – крок до гібридних систем. Локальна стабільність зустрічається із глобальною зв’язністю.
Які обмеження залишаються?
Не варто надто хвилюватися.
Метод працює. Це є доказом концепції.
Але він ще неефективний.
В даний час система передає лише близько 10% доступного заплутування з «бані». Методи активного керування швидше. Вони точніші у короткостроковій перспективі.
Чому минуло 20 років?
Вихідна теорія передбачала ідеальні умови. Реальні лабораторії – брудне місце. Фінк пояснює, що попередні вчені не могли створити функціональну квантову «лазню» через експериментальний шум. Вони упустили чинники, які заважали роботі кореляції з одного джерела.
Команда ISTA перевірила результати за допомогою квантової томографії. Вони відновили стан на основі вимірювань, що тривали лише 20–80 наносекунд. Одна мільярдна секунди – це довгий час у квантовій фізиці. Вони зловили статки до його колапсу.
“Кубіти можуть перебувати в суперпозиції станів, але всі ці стани колапсують, коли ми проводимо вимір, залишаючи нам стан 0 або 1”.
Отже.
Чи готове це для ноутбука? Ні.
Чи це фундамент для відмовостійких квантових мереж? Можливо.
«Лазня» підтримує зв’язок у живих. Вона чекає. Вона не примушує. І для розподілених квантових обчислень це терпіння може бути найважливішою особливістю з усіх.
