Na és mi az a kvantumfürdő?
Kezdjük azzal, hogy miért is fontos ez az egész. Biztosan hallottál már arról, hogy a kvantumszámítógépek jelentik a jövőt a számítástechnikában. A probléma csak az, hogy ezek az gépek elképesztően törékenyek. Nem is kicsit. A legkisebb külső zavarás is képes teljesen tönkretenni azokat a kényes kvantumállapotokat, amikre ezek a számítógépek épülnek.
Évek óta próbálják a fizikusok összekapcsolni a távol eső kvantumszámítógépeket — mondjuk különböző épületekben vagy akár más-más városokban. Ez azért lenne kulcsfontosságú, mert nagy léptékű kvantumhálózatokat és igazán erős kvantumszámítógépeket lehetne így építeni. De van egy szépséghiba: amikor eddig erre vállalkoztak, minden alkalommal kézi vezérlésre, folyamatos mérésre és szinte állandó felügyeletre volt szükség.
Itt jön képbe az Osztrák Tudomány és Technológia Intézet (ISTA) új kutatása. Az ott dolgozó csapat olyasmit mutatott be, ami őszintén szólva sci-fibe illik — egy úgynevezett „kvantumfürdőt" használnak, ami automatikusan létrehozza és fenntartja a távoli qubitek (a kvantuminformáció alapegységei) közötti összefonódást.
Mi az az összefonódás egyáltalán?
Magyarázzam el az összefonódást a lehető legegyszerűbben. Képzeld el, hogy van két pénzérméd, amik valahogy össze vannak kapcsolva egy módon, ami túlmutat a hétköznapi fizikán. Amikor feldobod az egyiket és fej lesz rajta, a másik pillanatok alatt írást mutat — még ha a galaxis túloldalán van. Ez az összefonódás, és Einstein egyszer „kísérteties távoli hatásnak" nevezte.
Apropó, ha közel lévő részecskék között kell létrehozni ezt a kapcsolatot, az már önmagában nehéz. De hogy két különböző helyen lévő kvantumszámítógépet fonjanak össze? Az eddig nagyon-nagyon bonyolult volt. A hagyományos módszerek egyedi fotonok ide-oda küldözgetését jelentik, vagy azt, hogy mindkét qubit fotonokat bocsát ki, amiket aztán megpróbálnak összehangolni. Működik ez is, meg az is, de rengeteg aktív beavatkozásra és mérésre van hozzá szükség.
A forradalmi rész
Itt van az, ami igazán izgat a kutatás miatt. Az ISTA csapata — Alejandro Andrés-Juanes PhD hallgató és Johannes Fink professzor vezetésével — teljesen más utat választott. Ahelyett, hogy küzdöttek volna a környezet ellen, inkább kihasználták azt.
A „kvantumfürdőjük" lényegében egy közös, korrelált fényrészecskékből (fotonokból) álló forrás, ami szabályozott kvantumkörnyezetbe „fürdíti" a qubiteket. A fürdő maga válik az összefonódás forrásává, automatikusan stabil kapcsolatot teremtve a távoli qubitek között. Nincs szükség felügyeletre.
„A kvantumfürdő — vagyis a qubitek környezete — az összefonódás forrása" — mondja Fink. „Folyamatos korrelált fotonáramlással új alapállapotot hoz létre. Ezáltal az összefont qubitállapot stabilizálódik, még a qubitek saját 'élettartamán' túl is, és mindig elérhető erőforrásként a további kvantum-műveletekhez."
Gondolj bele, mit jelent ez: ahelyett, hogy ideiglenesen hoznánk létre összefonódást és azonnal fel is kellene használnunk, mielőtt elillan, az összefont állapot egyszerűen... megmarad. Készen áll, amikor csak szükséged van rá. Ez óriási lépés a gyakorlati alkalmazások felé.
Miért nem csak egy újabb laboratóriumi kísérlet
Íme, miért fontos ez a fizika folyóiratokon túl is. A legtöbb kvantumszámítási kutatás, amiről hallani, egyedi qubitek fejlesztésére vagy több qubit hozzáadására összpontosít egyetlen chipen. Ez fontos munka, de csak fél megoldás.
Ha valaha is igazán világot megváltoztató kvantumszámítógépeket akarunk — olyat, ami feltöri a titkosítást, komplex molekulákat szimulál gyógyszerkutatáshoz, vagy megold olyan optimalizálási problémákat, amire a hagyományos számítógépeknek évmilliókra lenne szükségük — össze kell kapcsolnunk számos kvantumprocesszort. Gondolj bele, mint amikor az egyedi számítógépeket hálózatba kötjük, hogy internet legyen belőle.
A 2022-es fizikai Nobel-díjjal jutalmazott módszerek (igen, ez az összefonódás-dolog Nobel-díjat érdemel) még mindig aktív mérést igényelnek, és nem mindig sikerülnek. Ráadásul törékenyek — el kell kapnod az összefonódás pillanatát és azonnal fel kell használnod, mielőtt elillan.
Ez az új megközelítés? Az összefonódás egyszerűen ott van, maga a környezet tartja fenn. Mint a különbség az állandó felhúzást igénylő óra és az önmagától járó között.
A műszaki részletek, de egyszerűen
A csapat mikrohullámú fotonokat használt, hogy összekapcsolja a qubiteket az összefont fotonforrással. A mikrohullámú fotonok alacsony energiájú fényrészecskék, amik tökéletesek a kvantuminformáció manipulálására — és már most központi szerepet játszanak a legfejlettebb szupravezető kvantumszámítógépekben.
Hogy bizonyítsák, minden működik, kvantum-tomográfiát alkalmaztak. Ez lényegében egy vájkódó módszer arra, hogy rekonstruálják, mi történik a kvantumrendszerben: rengeteg gyors mérést végeznek (mindössze 20-80 nanoszekundum alatt), és abból rakják össze a képet.
Mit jelent ez a jövőre nézve
Nem akarom túlhypeolni — még évek munkája van hátra, mire ez kereskedelmi technológiává válik. De elméleti szinten ez jelentős. Olyasmiről van szó, ami „teljesen autonóm", nem igényel aktív vezérlést vagy mérést. Egy olyan területen, ahol eddig a kvantumrendszerek bonyolultságával küzdöttek, ez őszintén frissítő.
Magát az ötletet persze nem most találták ki — a kutatók több mint húsz éve javasolták ezt az elméleti megközelítést. De ez az első alkalom, hogy bárki a gyakorlatban is bemutatta működés közben. Ez a különbség aközött, hogy tudod, valami működhet, és aközött, hogy tényleg működteted is.
Szóval legközelebb, amikor valaki a kvantuminternetről vagy az elosztott kvantumszámításról beszél, gondolj erre a sztorira. A megoldás talán épp az, hogy hagyjuk a kvantumrendszereket belemerülni a saját környezetükbe, ahelyett, hogy minden apró részletet megpróbálnánk irányítani. Néha a legjobb megoldás az, hogy abbahagyjuk a mikromenedzselést és hagyjuk, hogy a természet tegye a dolgát.
Forrás: ScienceDaily