Demonstrați componentele cheie pentru un computer cuantic

Pregătirea experimentală a calculului cuantic în Testul cuantic avansat. Credit: Berkeley Lab

Echipa condusă de Berkeley Lab, oamenii de știință UC Berkeley construiesc un nou tip de procesor cuantic capabil de informații mixte, cum ar fi cel teoretizat în găurile negre.

O echipă condusă de fizicieni la Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) și UC Berkeley a observat cu succes coliziunea informațiilor cuantice, despre care se crede că sta la baza comportamentului găurilor negre, folosind trucuri: unități cuantice care stochează informații care pot reprezenta trei stări separate în același timp. Eforturile lor pregătesc, de asemenea, calea pentru construirea unui procesor de informații cuantice.

Paradoxul informațional al găurii negre

Un nou studiu, publicat recent în jurnal Revizuirea fizică X, folosește un circuit cuantic inspirat de întrebarea fizică lungă: Ce se întâmplă cu informațiile când intră într-un gaură neagră?

Dincolo de conexiunea cu cosmologia și fizica de bază, etapele tehnice ale echipei care a făcut posibil experimentul reprezintă progrese semnificative către utilizarea unor procesoare cuantice mai complexe pentru calcul cuantic, criptografie și detectarea erorilor, printre alte aplicații.

În timp ce găurile negre sunt considerate una dintre cele mai distructive forțe din univers – materia și lumina nu pot scăpa de atracția lor și se amestecă rapid și complet odată ce intră – s-a dezbătut considerabil dacă și cum se pierd informațiile după trecerea printr-o gaură neagră

Defunctul fizician Stephen Hawking a arătat că găurile negre emit radiații – acum cunoscute sub numele de radiații Hawking – pe măsură ce se evaporă încet în timp. În principiu, această radiație poate transporta informații despre ceea ce se află în gaura neagră – permite chiar reconstrucția informațiilor care trec în gaura neagră.

Și folosind o proprietate cuantică cunoscută sub numele de confuzie, este posibilă realizarea acestei reconstrucții în mod semnificativ mai rapid, așa cum se arată în lucrarea anterioară.

Împletirea cuantică provoacă regulile fizicii clasice, permițând particulelor să rămână interconectate chiar și atunci când sunt separate de distanțe mari, astfel încât starea unei particule să vă informeze despre starea partenerului său încurcat. Dacă ai avea două monede încurcate, de exemplu, știind că o monedă ți-a ieșit în cap atunci când te-ai uitat la ea, ți-ar spune automat că cealaltă monedă încurcată este coada, de exemplu.

Majoritatea încercărilor de calcul cuantic încearcă să exploateze acest fenomen prin codificarea informațiilor ca biți cuantici încurcați, cunoscuți sub numele de qubiți (pronunțat bit-CUE). La fel ca un bit de computer tradițional, care poate deține valoarea zero sau unu, o cupolă poate fi, de asemenea, fie un zero, fie un. Dar, în afară de asta, o cupolă poate exista într-o suprapunere care este una și zero în același timp. În cazul unei monede, este ca o monedă care poate reprezenta fie capete, fie cozi, precum și suprapunerea ambelor capete și cozi în același timp.

Puterea 3: Introducerea bolurilor

Fiecare cub pe care îl adăugați unui computer cuantic își dublează puterea de calcul, iar această creștere exponențială zboară atunci când utilizați biți cuantici capabili să stocheze mai multe valori, cum ar fi timpurile (pronunțat CUE trite). Din această cauză, este nevoie de mult mai puțin qub și chiar mai puțin qut sau kud – care descrie unități cuantice cu trei sau mai multe stări – pentru a efectua algoritmi complexi capabili să demonstreze capacitatea de a rezolva probleme care nu pot fi rezolvate. .

Acestea fiind spuse, există o serie de obstacole tehnice în construirea computerelor cuantice cu un număr mare de biți cuantici care pot funcționa în mod fiabil și eficient în rezolvarea problemelor într-o manieră cuantică cu adevărat.

În acest ultim studiu, cercetătorii detaliază modul în care au dezvoltat un procesor cuantic capabil să codifice și să transmită informații folosind o serie de cinci nuclee, fiecare dintre ele putând reprezenta trei stări simultan. Și, în ciuda mediului tipic zgomotos, imperfect și predispus la erori de circuit cuantic, au descoperit că platforma lor s-a dovedit a fi surprinzător de rezistentă și robustă.

Kuts poate avea o valoare zero, una sau două, păstrând toate aceste stări în suprapunere. În analogia monedei, este ca o monedă care are capacitatea de a ieși ca capul, coada sau să stea pe marginea sa subțire.

“O gaură neagră este un extrem de bun programator de informații”, a declarat Norman Yao, un om de știință al Facultății de Știința Materialelor din Laboratorul Berkeley și profesor asistent de fizică la UC Berkeley, care a ajutat la ghidarea planificării și proiectării experimentului. “Îl contaminează foarte repede, astfel încât orice zgomot local are un timp extrem de dificil de distrugere a acestor informații.”

Dar, a adăugat el, „Coderul este atât de blestemat încât este, de asemenea, foarte dificil să descifrezi aceste informații”.

Experiment de gândire cu gaura neagră

O ilustrare a unui experiment de gândire, în care informații aruncate într-o gaură neagră de Alice, este luată de la un observator exterior Bob. Credit: Berkeley Lab

Crearea unui experiment pentru a imita coliziunile cuantice

Echipa și-a propus să reproducă tipul de calomnie rapidă a informațiilor cuantice, sau de luptă, într-un experiment care a folosit dispozitive mici numite oscilatoare armonice neliniare precum zmeele. Acești oscilatori armonici neliniari sunt în esență greutăți sub-micronice în surse care pot fi direcționate la mai multe frecvențe distincte atunci când sunt supuse impulsurilor de microunde.

O problemă obișnuită în a face ca aceste oscilatoare să funcționeze ca niște căpușe este însă faptul că natura lor cuantică tinde să se descompună foarte repede printr-un mecanism numit decoerență, deci este dificil de spus dacă coliziunea informațiilor este cuantică sau se datorează acestei defecțiuni sau alte intervenții, a remarcat Irfan Siddiqi, autorul principal al studiului.

Siddiqi este directorul Berkeley Lab Advanced Quantum Test, un om de știință din departamentele de cercetare și știință a materialelor computerizate din laborator și profesor de fizică la UC Berkeley.

Patul de testare, care a început să accepte propuneri din partea comunității științelor cuantice în 2020, este un laborator de cercetare colaborativă care oferă acces deschis și gratuit pentru utilizatorii care doresc să exploreze modul în care procesoarele cuantice supraconductoare pot fi utilizate pentru a avansa cercetarea. Demonstrarea accidentală este unul dintre primele rezultate din programul de utilizare a patului de testare.

“În principiu, o gaură neagră izolată prezintă coliziuni”, a spus Siddiqi, “dar fiecare sistem experimental arată și o pierdere de decoerență. Într-un laborator, cum vă distingeți pe voi doi?”

O cheie a studiului a fost să mențină coerența sau modelarea regulată a semnalului efectuat de oscilatoare atâta timp cât a confirmat că coliziunea cuantică se produce prin teleportarea unei bobine. În timp ce teleportarea poate aduce imagini științifico-fantastice ale oamenilor sau obiectelor „care se aprind” de la suprafața unei planete către o navă spațială, în acest caz există doar transmiterea informațiilor – nu importante – dintr-un loc în altul prin confuzie cuantică.

O altă parte esențială a fost crearea de porți logice personalizate care permit realizarea „circuitelor cuantice universale”, care ar putea fi utilizate pentru a executa algoritmi arbitrari. Aceste porți logice permit perechilor de obloane să interacționeze între ele și au fost create pentru a gestiona trei niveluri diferite de semnale produse de impulsurile cu microunde.

Una dintre cele cinci pisici din experiment a servit drept contribuție, iar celelalte patru pisici erau în perechi încurcate. Datorită naturii confuze a ulcioarelor, o măsurare comună a unuia dintre ulcioare după circuitul corp la corp a asigurat că starea ulciorului primit a fost teleportată către un alt ulcior.

Găuri oglindite și găuri negre

Cercetătorii au folosit o tehnică cunoscută sub numele de tomografie cu proces cuantic pentru a verifica dacă porțile logice funcționează și că informațiile au fost amestecate corespunzător, deci este posibil să apară în orice parte a circuitului cuantic.

Siddiqi a spus că o modalitate de a gândi cât de confuz sunt broaștele țestoase care transmit informații este să o compari cu o gaură neagră. Este ca și cum ar exista o gaură neagră și o versiune oglindită a acelei găuri negre, astfel încât informațiile care trec pe o parte a găurii negre oglindite să fie transmise celeilalte prin confuzie.

Privind în perspectivă, Siddiqi și Yao sunt deosebit de interesați să valorifice puterea pisicii pentru studii asupra găurilor de vierme permeabile, care sunt pasaje teoretice care leagă locuri specifice din univers, de exemplu.

Referințe: “Scrambling Information Quantum on a Superconducting Power Processor” de MS Blok, VV Ramasesh, T. Schuster, K. O’Brien, JM Kreikebaum, D. Dahlen, A. Morvan, B. Yoshida, NY Yao și I. Siddiqi , 9 aprilie 2201, Revizuirea fizică X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.021010

Un om de știință de la Institutul Perimetru pentru Fizică Teoretică din Canada a participat, de asemenea, la studiu, care a fost susținut de Departamentul Energiei din SUA, Oficiul de Informatică pentru Cercetări Avansate și Oficiul pentru Fizica Înaltei Energii; și de la bursa Science Foundation a National Science Foundation.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.