At se kvantefremtiden... bogstaveligt talt

Forskere ved University of Sydney har demonstreret evnen til at "se" fremtiden for kvantesystemer, og brugte den viden til at foregribe deres død, i en stor bedrift, der kunne være med til at bringe kvanteteknologiens mærkelige og magtfulde verden tættere på virkeligheden.

Anvendelserne af kvanteaktiverede teknologier er overbevisende og viser allerede betydelige virkninger - især inden for sansning og metrologi. Og potentialet til at bygge usædvanligt kraftige kvantecomputere ved hjælp af kvantebits, eller qubits, driver investeringer fra verdens største virksomheder.

Men en væsentlig hindring for at bygge pålidelige kvanteteknologier har været randomiseringen af ​​kvantesystemer efter deres miljøer, eller usammenhæng, hvilket effektivt ødelægger den nyttige kvantekarakter.

Fysikerne har taget et teknisk kvantespring i forhold til dette, ved at bruge teknikker fra big data til at forudsige, hvordan kvantesystemer vil ændre sig og derefter forhindre, at systemets sammenbrud opstår.

Forskningen er offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

"På samme måde som de enkelte komponenter i mobiltelefoner i sidste ende vil fejle, det samme gør kvantesystemer, " sagde avisens seniorforfatter professor Michael J. Biercuk.

"Men i kvanteteknologi måles levetiden generelt i brøkdele af et sekund, i stedet for år."

Professor Biercuk, fra University of Sydney's School of Physics og en chefforsker ved Australian Research Council's Center for Engineered Quantum Systems, sagde, at hans gruppe havde vist, at det var muligt at undertrykke dekohærens på en forebyggende måde. Nøglen var at udvikle en teknik til at forudsige, hvordan systemet ville gå i opløsning.

Professor Biercuk fremhævede udfordringerne ved at lave forudsigelser i en kvanteverden:"Mennesker anvender rutinemæssigt forudsigelsesteknikker i vores daglige oplevelse; f.eks. når vi spiller tennis forudsiger vi, hvor bolden ender, baseret på observationer af den luftbårne bold, " han sagde.

"Dette virker, fordi reglerne, der styrer, hvordan bolden vil bevæge sig, som tyngdekraften, er regelmæssige og kendte. Men hvad nu hvis reglerne ændrede sig tilfældigt, mens bolden var på vej til dig? I så fald er det næsten umuligt at forudsige boldens fremtidige adfærd.

"Og alligevel er denne situation præcis, hvad vi var nødt til at håndtere, fordi opløsningen af ​​kvantesystemer er tilfældig. Desuden, i kvanteriget sletter observation kvante, så vores team skulle være i stand til at gætte, hvordan og hvornår systemet ville gå i stykker.

"Vi var faktisk nødt til at svinge til den tilfældigt bevægende tennisbold, mens vi havde bind for øjnene."

Holdet henvendte sig til maskinlæring for at få hjælp til at forhindre, at deres kvantesystemer - qubits realiseret i fangede atomer - går i stykker.

Hvad der kunne ligne tilfældig adfærd, indeholdt faktisk nok information til, at et computerprogram kunne gætte, hvordan systemet ville ændre sig i fremtiden. Det kunne så forudsige fremtiden uden direkte observation, som ellers ville slette systemets nyttige egenskaber.

Forudsigelserne var bemærkelsesværdigt nøjagtige, giver holdet mulighed for at bruge deres gæt præventivt til at kompensere for de forventede ændringer.

Ved at gøre dette i realtid kunne holdet forhindre opløsningen af ​​kvantekarakteren, forlængelse af qubits' levetid.

"Vi ved, at bygning af rigtige kvanteteknologier vil kræve store fremskridt i vores evne til at kontrollere og stabilisere qubits - for at gøre dem nyttige i applikationer, " sagde professor Biercuk.

Vores teknikker gælder for enhver qubit, indbygget i enhver teknologi, herunder de særlige superledende kredsløb, der bruges af større virksomheder.

"Vi er glade for at udvikle nye muligheder, der gør kvantesystemer fra nyheder til nyttige teknologier. Kvantefremtiden ser hele tiden bedre ud, " sagde professor Biercuk.