Nowe badania prowadzone przez zespół naukowców z Australian National University (ANU) nakreśliły sposób na uzyskanie dokładniejszych pomiarów mikroskopijnych obiektów za pomocą komputerów kwantowych - krok, który może okazać się przydatny w szerokim zakresie technologii nowej generacji, w tym biomedycznych wyczuwanie.
Badanie różnych indywidualnych właściwości dużego przedmiotu codziennego użytku, takiego jak samochód, jest dość proste: samochód ma dobrze zdefiniowaną pozycję, kolor i prędkość. Staje się to jednak znacznie trudniejsze, gdy próbuje się badać mikroskopijne obiekty kwantowe, takie jak fotony – małe cząstki światła.
Dzieje się tak, ponieważ pewne właściwości obiektów kwantowych są ze sobą powiązane, a pomiar jednej właściwości może zakłócić inną właściwość. Na przykład pomiar położenia elektronu wpłynie na jego prędkość i odwrotnie.
Takie właściwości nazywane są właściwościami sprzężonymi. Jest to bezpośrednia manifestacja słynnej zasady nieoznaczoności Heisenberga — nie jest możliwe jednoczesne zmierzenie dwóch sprzężonych właściwości obiektu kwantowego z dowolną dokładnością.
Według głównego autora i dr ANU. badacz Lorcán Conlon, jest to jedno z najważniejszych wyzwań mechaniki kwantowej.
„Byliśmy w stanie zaprojektować pomiar, aby dokładniej określić sprzężone właściwości obiektów kwantowych. Co ciekawe, nasi współpracownicy byli w stanie wdrożyć ten pomiar w różnych laboratoriach na całym świecie” – powiedział Conlon.
"Jeszcze dokładne pomiary są kluczowe i mogą z kolei otworzyć nowe możliwości dla wszelkiego rodzaju technologii, w tym czujników biomedycznych, odległości laserowych i komunikacji kwantowej”.
Nowa technika obraca się wokół dziwnego dziwactwa systemów kwantowych, znanego jako splątanie. Zdaniem naukowców, poprzez splątanie dwóch identycznych obiekty kwantowe i mierząc je razem, naukowcy mogą określić ich właściwości dokładniej, niż gdyby były mierzone indywidualnie.
„Poprzez splątanie dwóch identycznych układów kwantowych możemy uzyskać więcej informacji” – powiedział współautor dr Syed Assad. „Istnieje pewien nieunikniony szum związany z pomiarem dowolnej właściwości układu kwantowego. Splatając te dwa elementy, jesteśmy w stanie zredukować ten hałas i uzyskać dokładniejszy pomiar”.
Teoretycznie możliwe jest splątanie i zmierzenie trzech lub więcej układów kwantowych w celu uzyskania jeszcze większej precyzji, ale w tym przypadku eksperymenty nie zgadzały się z teorią. Niemniej jednak autorzy są przekonani, że przyszłe komputery kwantowe będą w stanie pokonać te ograniczenia.
„Komputery kwantowe z kubitami z korekcją błędów będą w przyszłości w stanie z zyskiem mierzyć z coraz większą liczbą kopii” – powiedział Conlon.
Według profesora Ping Koy Lam, głównego naukowca kwantowego A*STAR w Instytucie Badań i Inżynierii Materiałowej (IMRE), jednym z kluczowych atutów tej pracy jest to, że ulepszenie kwantowe można nadal zaobserwować w hałaśliwych scenariuszach.
„W praktycznych zastosowaniach, takich jak pomiary biomedyczne, ważne jest, abyśmy mogli dostrzec przewagę nawet wtedy, gdy sygnał jest nieuchronnie osadzony w hałaśliwym środowisku rzeczywistym” – powiedział.
Badanie zostało przeprowadzone przez ekspertów z ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T), we współpracy z naukowcami z Instytutu Badań i Inżynierii Materiałowej A*STAR (IMRE), Uniwersytetu w Jenie, Uniwersytetu w Innsbrucku, i Uniwersytet Macquarie. Amazon Web Services współpracował, zapewniając wsparcie badawcze i architektoniczne oraz udostępniając urządzenie Rigetti Aspen-9 za pomocą Amazon Bracket.
Naukowcy przetestowali swoją teorię na 19 różnych komputerach kwantowych na trzech różnych platformach: nadprzewodzących, uwięzionych jonach i fotonicznych komputerach kwantowych. Te wiodące na świecie urządzenia znajdują się w Europie i Ameryce i są dostępne w chmurze, umożliwiając naukowcom z całego świata łączenie się i prowadzenie ważnych badań.
