Ученые создали кошачьи состояния Шредингера с 20 квантовыми битами
Исследователи преобразуют 20 запутанных квантовых битов в кошачьи состояния Шредингера. Это побивает старый рекорд 14 кубитов, который был установлен в 2011 году. Такие наложенные состояния могут обеспечить важный ресурс для различных приложений, начиная от квантовой метрологии до квантовых вычислений.
В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер выступил с мысленным экспериментом, иногда описываемым как парадокс, в котором кошка заперта в стальной камере вместе с синильной кислотой, молотом и небольшим количеством радиоактивного материала.
Существует 50-процентная вероятность того, что один из атомов радиоактивного материала распадется, и если это произойдет, релейный механизм отключит молот, разрушив небольшую вспышку синильной кислоты, которая в конечном итоге приведет к смерти кота.
Сценарий представляет собой гипотетическую кошку, которая может быть как мёртвой, так и живой одновременно. Вы не узнаете, мертв кот или жив, пока не откроете коробку.
Шредингер использовал этот мысленный эксперимент, чтобы объяснить состояние, известное как квантовая суперпозиция, фундаментальный принцип квантовой механики. Согласно квантовому закону, атомы или фотоны могут существовать в нескольких состояниях (суперпозиции), которые соответствуют различным результатам.
Ученые доказали существование суперпозиции, анализируя интерференцию в световых волнах. За последние четыре десятилетия они провели многочисленные эксперименты, чтобы реализовать суперпозицию квантовых состояний.
Но так как эти кошачьи состояния очень чувствительны, даже малейшее нарушение окружающей среды приводит к их разрушению. Таким образом, ученым удалось реализовать только небольшое количество квантовых битов в состояниях Шредингера.
Теперь международная команда исследователей превратила 20 запутанных квантовых битов (кубитов) в кошачьи состояния Шредингера. Это побивает старый рекорд 14 кубитов, который был установлен в 2011 году. Создание такого состояния суперпозиции можно рассматривать как важный шаг в продвижении квантовых вычислений.
Как они это сделали?
В отличие от классических битов, которые могут иметь одно конкретное значение за раз (1 или 0), кубиты могут иметь несколько состояний одновременно из-за принципа суперпозиции. Таким образом, они могут хранить и обрабатывать несколько значений за один шаг (параллельно).
Количество квантовых битов играет здесь важную роль. Например, с 20 кубитами может быть более 1 000 000 наложенных состояний. И 300 кубитов могут хранить более одной квинтиллионной частицы (10 81 ) (или больше, чем количество атомов во всей вселенной).
Для реализации состояний кота Шредингера С 20 кубитами исследователи использовали программируемый квантовый симулятор на основе массивов ридберговского атома. В этой процедуре они выровняли отдельные атомы рубидия рядом друг с другом, используя лазерные лучи (красный). Этот метод также называют оптическим пинцетом.
Затем они использовали другую пластинку (синего цвета), чтобы перевести атомы в особое состояние - состояние Ридберга - где электроны расположены далеко от ядра. Как правило, этот сложный процесс занимает слишком много времени, и наложенные состояния разрушаются еще до того, как их можно измерить.
Чтобы решить эту проблему, исследователи ловко включали и выключали лазеры с оптимальной скоростью. Это помогло им ускорить процесс и сделать новую запись.
Некоторые атомы были надуты таким образом, что их атомные оболочки объединяются с соседними атомами, образуя две противоположные конфигурации одновременно, а именно возбуждения, занимающие все нечетные и четные места. И вот как команда смогла сформировать суперпозицию противоположной конфигурации, называемой состоянием Гринбергера-Хорна-Цейлингера.
Такие состояния кота Шредингера типа Гринбергера-Хорна-Цейлингера предоставляют важнейший ресурс для различных применений, от квантовой метрологии и квантовых сетей до квантовой коррекции ошибок и квантовых вычислений.