Wyobraź sobie przyszłość, w której Twój komputer kwantowy to nie tylko jeden delikatny chip. Jest to sieć modułów, które są fizycznie oddzielone, ale działają jako pojedyncza spójna maszyna.
Od dwudziestu lat fizycy wiedzą, że jest to teoretycznie możliwe. Po prostu nie mogliby tego udowodnić bez aktywnego i brudnego zarządzania.
Ostatnio sytuacja się zmieniła.
Naukowcy z austriackiego Instytutu Nauki i Technologii (ISTA) potwierdzili przewidywania z 2006 roku. Wykazali autonomiczne rozproszone splątanie kwantowe. Żadnych powtarzających się pomiarów. Brak aktywnej selekcji po fakcie. Tylko „kąpiel kwantowa” (zbiornik), która zachowuje połączenie między kubitami.
To wielkie osiągnięcie w dziedzinie komunikacji kwantowej.
Jak kąpiel kwantowa zastępuje aktywną kontrolę
Tradycyjne metody splątania odległych kubitów wymagają ogromnego wysiłku.
Zwykle masz dwie możliwości. Skieruj kontrolowany foton z A do B. Lub spraw, aby oba kubity emitowały fotony, a następnie dopasuj je. To drugie podejście zdobyło Nagrodę Nobla w 2022 roku. To eleganckie. Ale jest też niewiarygodne. To zależy od przypadku. Częściej to nie działa. Aby znaleźć sygnał, należy przesiać szum.
Alejandro Andres-Juanes i profesor Johannes Fink z ISTA wybrali inną ścieżkę.
Stworzyli łaźnię kwantową.
Pomyśl o tym jak o środowisku. Wspólne źródło skorelowanych cząstek światła kieruje energię do dwóch oddzielnych kubitów. Łaźnia wykonuje całą pracę. Automatycznie synchronizuje kubity.
„Dzięki zdalnej stabilizacji stanów splątanych nasze podejście jest całkowicie autonomiczne i nie wymaga aktywnej kontroli ani pomiarów”.
To rozwiązuje konkretną rozbieżność.
Natura uwielbia splątanie zmiennych ciągłych. Płynie płynnie. Podobnie jak położenie wahadła. Łatwe do stworzenia.
Większość komputerów kwantowych wymaga splątania zmiennych dyskretnych. Dwójkowy. Wszystko albo nic. Trudne do bezpośredniego wygenerowania.
Zespół ISTA wykorzystał „łaźnię” do konwersji sygnału ciągłego na dyskretny. Wypełnili lukę pomiędzy tym, co łatwe w produkcji, a tym, co praktyczne.
Dlaczego splątanie trwa dłużej niż kubity
To jest główna zaleta.
W standardowych systemach splątanie jest ulotne. Umiera, gdy kubity ulegają dekoherencji. Musimy działać szybko. Jeśli przegapisz okno, połączenie zostanie zerwane.
Kwantowa „kąpiel” zmienia zasady gry.
Samo otoczenie staje się źródłem stabilności. Ciągły strumień fotonów mikrofalowych utrzymuje ogólny stan.
Tworzy to nowy stan podstawowy.
Stan splątany trwa dłużej niż naturalny czas życia poszczególnych kubitów. Pozostaje dostępny. Zawsze gotowy. Ma to znaczenie koncepcyjne. Nie musisz się spieszyć. Dostęp do zasobu masz wtedy, kiedy go potrzebujesz.
Andres-Juanes zauważa, że ta metoda jest skalowalna. Nie ogranicza się do dwóch kubitów. Można synchronizować wiele zdalnych procesorów.
Gdzie jest to miejsce w krajobrazie kwantowym
W eksperymencie wykorzystano kubity nadprzewodzące. Są to konie pociągowe takich firm jak IBM i Google.
„Kąpiel” przekazywana za pośrednictwem fotonów mikrofalowych. Niska energia. Precyzyjna kontrola.
Ale jest szerszy cel.
Grupa Finka również bada fotony optyczne. Poruszają się za pomocą kabli światłowodowych. Przesyłają informację kwantową na duże odległości. Fotony mikrofalowe przetwarzają lokalne zadanie obliczeniowe. Fotony optyczne umożliwiają połączenia na duże odległości.
Prototyp ISTA to krok w stronę systemów hybrydowych. Lokalna stabilność spotyka się z globalną łącznością.
Jakie ograniczenia pozostają?
Nie martw się zbytnio.
Metoda działa. To jest dowód koncepcji.
Ale nadal jest to nieskuteczne.
Obecnie system transmituje jedynie około 10% dostępnego zaciemnienia z łaźni. Aktywne metody kontroli są szybsze. Są dokładniejsze na krótką metę.
Dlaczego zajęło to 20 lat?
Oryginalna teoria zakładała idealne warunki. Prawdziwe laboratoria to brudne miejsca. Fink wyjaśnia, że poprzednim naukowcom nie udało się stworzyć funkcjonalnej łaźni kwantowej z powodu hałasu eksperymentalnego. Pominęli czynniki, które zakłócały korelacje z jednego źródła.
Zespół ISTA zweryfikował wyniki za pomocą tomografii kwantowej. Zrekonstruowali stan na podstawie pomiarów, które trwały zaledwie 20–80 nanosekund. Jedna miliardowa sekundy to w fizyce kwantowej długi czas. Złapali państwo zanim upadło.
„Kubity mogą znajdować się w superpozycji stanów, ale wszystkie te stany zapadają się, gdy dokonujemy pomiaru, pozostawiając nam stan 0 lub 1”.
Więc.
Czy jest gotowy na Twój laptop? Nie.
Czy to jest podstawa odpornych na uszkodzenia sieci kwantowych? Może.
„Bania” podtrzymuje połączenie. Ona czeka. Ona nie zmusza. W przypadku rozproszonych obliczeń kwantowych ta cierpliwość może być najważniejszą cechą ze wszystkich.
