Mitä ihmettä on kvanttikylpy?
Aloitetaan siitä, miksi tällä on väliä. Kvanttikoneet ovat kuuluisia siitä, että niiden pitäisi mullistaa laskenta. Mutta tiedätkö mikä niiden ongelma on? Ne ovat äärimmäisen hauraita. Ei vähän, vaan todella hauraita. Pienikin häiriö ympäristöstä voi rikkoa koko järjestelmän.
Vuosien ajan fyysikot ovat yrittäneet yhdistää kaukana toisistaan olevia kvanttikoneita – vaikkapa eri rakennuksissa tai jopa eri kaupungeissa. Tämä olisi avain suurimittakaavaisiin kvanttiverkkoihin ja tehokkaisiin kvanttityökaluihin. Mutta ongelma on: joka kerta kun tutkijat ovat sitä yrittäneet, heidän on pitänyt ohjata prosessia käsin, mitata koko ajan ja käytännössä vahtia koko hommaa.
Sitten astuu kuvaan Itävallan tiede- ja teknologiainstituutin uusi tutkimus. Siellä työskentelevä joukkue on osoittanut jotain, mikä kuulostaa suoraan tieteiskirjallisuudesta – he hyödyntävät niin kutsuttua "kvanttikylpyä" luodakseen ja ylläpitääkseen entanglementtia eli kvanttikietoutumista erillisten kubittien välillä. Kubitit ovat kvanttitiedon perusyksiköitä.
Entanglement – mitä se oikeastaan on?
Selitän asian yksinkertaisesti. Kuvittele, että sinulla on kaksi kolikkoa, jotka ovat jotenkin yhteydessä toisiinsa tavanomaisen fysiikan ulkopuolella. Kun käännät toista kolikkoa ja se näyttää kruunaa, toinen kolikko näyttää heti kuningasta – vaikka se olisi galaksin toisella puolella. Tätä kutsutaan entanglementiksi, ja Einstein kutsui sitä kerran "häiritseväksi toiminnaksi etäisyyden yli".
Tällaisen yhteyden luominen lähellä toisiaan olevien hiukkasten välillä on jo vaikeaa. Mutta miten saada kaksi eri paikassa olevaa kvanttikonetta kietoutumaan yhteen? Se on ollut todella hankalaa. Perinteiset keinot vaativat jatkuvaa aktiivista säätöä ja runsaasti mittauksia onnistuakseen.
Se mullistava osuus
Tässä kohtaa tutkimus alkaa oikeasti kiinnostaa. ISTA:n joukkue – jota johtivat tohtoriopiskelija Alejandro Andrés-Juanes ja professori Johannes Fink – teki jotain täysin erilaista. Sen sijaan, että olisi taisteltu ympäristöä vastaan, he käyttivät sitä.
Heidän "kvanttikylpynsä" on käytännössä jaettu korreloituneiden valohiukkasten eli fotonien lähde, joka kylvettää kubitteja hallitussa kvanttiympäristössä. Kylpy itsessään muuttuu entanglementin lähteeksi ja luo vakaan yhteyden kaukana olevien kubittien välille automaattisesti. Ei vahtimista.
"Kvanttiympäristö – eli kubittien ympäristö – on entanglementin lähde", Fink selittää. "Se luo uuden perustilan jatkuvan korreloituneiden fotonien virtauksen kautta. Näin entangletut kubitit pysyvät vakaina jopa oman 'elinikänsä' yli ja ovat aina käytettävissä kvanttilaskentaan."
Tajua, mitä tämä tarkoittaa käytännössä: sen sijaan, että luotaisiin väliaikainen entanglement ja pitäisi käyttää se välittömästi ennen kuin se katoaa, entangletu tila on vain läsnä. Valmiina aina kun tarvitset sitä. Tämä on valtava askel käytännön sovelluksille.
Miksi tämä ei ole vain yksi laboratoriotesti
Tässä on näkökulmani, miksi tällä on merkitystä fysiikka-aktien ulkopuolella. Suurin osa kvanttilaskentaan liittyvästä tutkimuksesta keskittyy yksittäisten kubittien parantamiseen tai lisäkubittien lisäämiseen samaan piiriin. Se on tärkeää työtä, mutta se on vain puolet taistelusta.
Jos haluamme kvanttikoneita, jotka voivat todella muuttaa maailmaa – murtaa salauksia, simuloida monimutkaisia molekyylejä lääkekehityksessä, ratkaista optimointiongelmia, joihin klassiset tietokoneet tarvitsisivat miljoonia vuosia – meidän täytyy yhdistää monta kvantt Prosessoria yhteen. Ajattele sitä samoin kuin yksittäisten tietokoneiden verkottumista internetiksi.
Menetelmät, jotka voittivat Nobelin fysiikan palkinnon 2022 (kyllä, tämä entanglement-juttu on Nobel-tason), vaativat yhä aktiivista mittaamista eivätkä aina onnistu. Ne ovat myös hauraita – sinun täytyy napata se entanglementin hetki ja käyttää se ennen katoamista.
Tällä uudella lähestymistavalla? Entanglement on vain siellä, ympäristön ylläpitämänä. Se on kuin ero sen välillä, että joutuu jatkuvasti vetämään kelloa verrattuna kelloon, joka vain jatkaa käyntiään itsestään.
Tekniset yksityiskohdat selkokielellä
Joukkue käytti mikroaalt fotoneja yhdistääkseen kubitit entangletun fotonilähteen kanssa. Mikroaalt fotonit ovat matalaenergisiä valohiukkasia, jotka sopivat täydellisesti kvantti-informaation käsittelyyn – ja ne ovat jo keskeisiä kehittyneimmissä suprajohtavissa kvanttikoneissa.
Todistaakseen, että kaikki todella toimi, he käyttivät kvantti-tomografiaa, joka on käytännössä fiksu tapa rekonstruoida, mitä kvanttijärjestelmässä tapahtuu tekemällä runsaasti nopeita mittauksia (kestävät vain 20–80 nanosekuntia) ja kokoamalla kuva yhteen.
Mitä tämä tarkoittaa tulevaisuudelle
En halua liioitella – kaupalliseksi teknologiaksi tämä vaatii vielä vuosien työtä. Mutta käsitteellisesti tämä on merkittävää. Puhumme menetelmästä, joka on "täysin autonominen" eikä vaadi aktiivista ohjausta tai mittaamista. Alalle, joka on kamppaillut kvanttijärjestelmien monimutkaisuuden kanssa, tämä on virkistävää.
Itse idea ei ole uusi – tutkijat ehdottivat tätä teoreettista lähestymistapaa yli 20 vuotta sitten. Mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun kukaan on todistanut sen toimivan käytännössä. Se on ero sen välillä, että tiedät jonkin pitäisi toimia ja sen välillä, että saat sen toimimaan.
Joten kun kuulet seuraavan kerran jonkun puhuvan kvantti-internetistä tai hajautetusta kvanttilaskennasta, muista tämä tarina. Vastaus voi olla yksinkertaisesti siinä, että annetaan kvanttijärjestelmien kylpeä omassa ympäristössään sen sijaan, että yritettäisiin jatkuvasti hallita joka ikistä yksityiskohtaa. Joskus paras ratkaisu on lopettaa pikkutarkka ohjaaminen ja antaa luonnon hoitaa oma hommansa.
Lähde: ScienceDaily