Schrödingers kat med 20 qubits

Død eller levende, venstre-spinding eller højrespinning-i kvanteverdenen kan partikler som den berømte analogi af Schrödingers kat være alle disse ting på samme tid. Et internationalt hold, herunder forskere fra flere førende amerikanske universiteter, sammen med eksperter fra Forschungszentrum Jülich, nu er det lykkedes at omdanne 20 sammenfiltrede kvantebits til en sådan superpositionstilstand. Genereringen af ​​sådanne atomiske Schrödinger -katstater betragtes som et vigtigt skridt i udviklingen af ​​kvantecomputere, der kunne overgå klassiske computere til at løse bestemte opgaver. Resultaterne blev offentliggjort i Videnskab sidste fredag.

I 1935, fysikeren Erwin Schrödinger fremsatte tankeeksperimentet med kvantekatten, hvor katten er lukket i en æske sammen med en radioaktiv prøve, en detektor og en dødelig mængde gift. Hvis det radioaktive materiale henfalder, detektoren udløser en alarm, og giften frigives. Det særlige er, at ifølge kvantemekanikkens regler, i modsætning til daglig erfaring, det er ikke klart, om katten er død eller i live. Det ville være begge på samme tid, indtil en eksperimentator tager et kig. En enkelt tilstand ville kun blive opnået fra tidspunktet for denne observation.

Siden begyndelsen af ​​1980'erne har forskere har været i stand til at realisere denne overlejring af kvantetilstande eksperimentelt i laboratoriet ved hjælp af forskellige tilgange. "Imidlertid, disse katstater er ekstremt følsomme. Selv de mindste termiske interaktioner med miljøet får dem til at kollapse, "forklarer Tommaso Calarco fra Forschungszentrum Jülich. Blandt andet han spiller en ledende rolle i Europas store kvanteinitiativ, EU's Quantum Flagship -program. "Af denne grund, det er kun muligt at realisere betydeligt færre kvantebits i Schrödinger kattilstande end dem, der eksisterer uafhængigt af hinanden ".

Af sidstnævnte stater, forskere kan nu kontrollere mere end 50 i laboratorieforsøg. Imidlertid, disse kvantebits, eller qubits for kort, viser ikke de særlige kendetegn ved Schrödingers kat i modsætning til de 20 qubits, som forskerteamet nu har skabt ved hjælp af en programmerbar kvantesimulator og dermed etablerer en ny rekord, der stadig er gyldig, selvom andre fysiske tilgange med optiske fotoner, fangede ioner eller superledende kvantekredsløb tages i betragtning.

Eksperter fra flere af verdens mest berømte institutioner gik sammen om at udvikle eksperimentet. Ud over Jülich -forskerne, forskere fra talrige amerikanske amerikanske universiteter - Harvard, Berkeley, MIT og Caltech - samt det italienske universitet i Padua var involveret.

"Qubits i kattens tilstand betragtes som ekstremt vigtige for udviklingen af ​​kvanteteknologier, "forklarer Jian Cui." Hemmeligheden bag den enorme effektivitet og ydeevne, der forventes af fremtidige kvantecomputere, findes i denne overlejring af stater, "siger fysikeren fra Peter Grünberg Institute ved Jülich (PGI-8).

Klassiske bits i en konventionel computer har altid kun en bestemt værdi, som består af 0 og 1, for eksempel. Derfor, disse værdier kan kun behandles bit for bit den ene efter den anden. Qubits, som har flere tilstande samtidigt på grund af superpositionsprincippet, kan lagre og behandle flere værdier parallelt i et trin. Antallet af qubits er afgørende her. Du kommer ikke langt med bare en håndfuld qubits. Men med 20 qubits, antallet af overlejrede stater overstiger allerede en million. Og 300 qubits kan gemme flere numre samtidigt, end der er partikler i universet.

Det nye resultat på 20 qubits kommer nu lidt tættere på denne værdi, efter den gamle rekord på 14 qubits forblev uændret siden 2011. For deres eksperiment, forskerne brugte en programmerbar kvantesimulator baseret på Rydberg -atomarrays. I denne tilgang, individuelle atomer, i dette tilfælde rubidiumatomer, fanges af laserstråler og holdes på plads side om side i en række. Teknikken er også kendt som optisk pincet. En ekstra laser ophidser atomerne, indtil de når Rydberg -staten, hvor elektronerne er placeret langt ud over kernen.

Denne proces er temmelig kompliceret og tager normalt for meget tid, sådan, at den sarte kattestatus ødelægges, før den overhovedet kan måles. Gruppen i Jülich bidrog med deres ekspertise inden for Quantum Optimal Control for at løse dette problem. Ved smart at slukke og tænde laserne i den rigtige hastighed, de opnåede en hurtigere hastighed i forberedelsesprocessen, som gjorde denne nye rekord mulig.

"Vi oppustede praktisk talt nogle atomer i en sådan grad, at deres atomskaller smelter sammen med de tilstødende atomer for samtidig at danne to modsatte konfigurationer, nemlig ophidselser, der indtager alle lige eller ulige steder, "forklarer Jian Cui." Dette går så langt, at bølgefunktionerne overlapper hinanden som i analogien med Schrödingers kat, og vi var i stand til at skabe overlejringen af ​​de modsatte konfigurationer, som også er kendt som Greenberger-Horne-Zeilinger-staten. "

Deres fremskridt inden for kvanteforskning blev suppleret med en kinesisk forskningsgruppes indsats, som også blev offentliggjort i det aktuelle nummer af " Videnskab ". Ved hjælp af superledende kvantekredsløb, det lykkedes forskerne at skabe 18 qubits i Greenberger-Horne-Zeilinger-staten, hvilket også er en ny rekord for denne eksperimentelle tilgang.