Skjult symmetri kan være nøglen til mere robuste kvantesystemer, finder forskere

Forskere har fundet en måde at beskytte meget skrøbelige kvantesystemer mod støj, som kan hjælpe med design og udvikling af nye kvanteenheder, såsom ultrakraftige kvantecomputere.

Forskerne, fra University of Cambridge, har vist, at mikroskopiske partikler kan forblive iboende forbundet, eller viklet ind, over lange afstande, selvom der er tilfældige afbrydelser mellem dem. Ved hjælp af matematikken i kvanteteorien, de opdagede et simpelt setup, hvor sammenfiltrede partikler kan forberedes og stabiliseres selv i tilstedeværelse af støj ved at drage fordel af en tidligere ukendt symmetri i kvantesystemer.

Deres resultater, rapporteret i journalen Fysisk gennemgangsbreve , åbne et nyt vindue ind i den mystiske kvanteverden, der kan revolutionere fremtidens teknologi ved at bevare kvanteeffekter i støjende miljøer, som er den største enkelt hindring for at udvikle sådan teknologi. Udnyttelse af denne kapacitet vil være kernen i ultrahurtige kvantecomputere.

Kvantesystemer er bygget på partiklernes særegne adfærd på atomniveau og kan revolutionere den måde, hvorpå komplekse beregninger udføres. Mens en normal computerbit er en elektrisk switch, der kan indstilles til enten en eller nul, en kvantebit, eller qubit, kan indstilles til en, nul, eller begge på samme tid. Desuden, når to qubits er sammenfiltrede, en operation på den ene påvirker umiddelbart den anden, uanset hvor langt de er fra hinanden. Denne dobbelte tilstand er det, der giver en kvantecomputer dens magt. En computer bygget med sammenfiltrede qubits i stedet for normale bits kunne udføre beregninger langt ud over kapaciteten hos selv de mest kraftfulde supercomputere.

"Imidlertid, qubits er ekstremt pinlige ting, og den mindste smule støj i deres omgivelser kan få deres sammenfiltring til at gå i stykker, "sagde Dr. Shovan Dutta fra Cambridge's Cavendish Laboratory, papirets første forfatter. "Indtil vi kan finde en måde at gøre kvantesystemer mere robuste, deres virkelige applikationer vil være begrænsede. "

Flere virksomheder - især IBM og Google - har udviklet fungerende kvantecomputere, selvom disse hidtil har været begrænset til mindre end 100 qubits. De kræver næsten total isolation fra støj, og selv da, har meget korte levetider på et par mikrosekunder. Begge virksomheder har planer om at udvikle 1000 qubit kvantecomputere inden for de næste par år, selvom stabilitetsproblemerne ikke er overvundet, kvantecomputere vil ikke nå praktisk anvendelse.

Nu, Dutta og hans medforfatter professor Nigel Cooper har opdaget et robust kvantesystem, hvor flere par qubits forbliver sammenfiltret selv med meget støj.

De modellerede et atomsystem i en gitterformation, hvor atomer stærkt interagerer med hinanden, hopper fra et sted af gitteret til et andet. Forfatterne fandt ud af, at hvis der blev tilføjet støj i midten af ​​gitteret, det påvirkede ikke sammenfiltrede partikler mellem venstre og højre side. Denne overraskende egenskab skyldes en særlig type symmetri, der bevarer antallet af sådanne sammenfiltrede par.

"Vi forventede slet ikke denne stabiliserede form for sammenfiltring, "sagde Dutta." Vi faldt over denne skjulte symmetri, hvilket er meget sjældent i disse støjende systemer. "

De viste denne skjulte symmetri, der beskytter de sammenfiltrede par og gør det muligt at styre deres tal fra nul til en stor maksimal værdi. Lignende konklusioner kan anvendes på en bred klasse af fysiske systemer og kan realiseres med allerede eksisterende ingredienser i eksperimentelle platforme, baner vejen til kontrollerbar forvikling i støjende omgivelser.

"Ukontrollerede miljøforstyrrelser er dårlige for overlevelse af kvanteeffekter som sammenfiltring, men man kan lære meget ved bevidst at konstruere bestemte typer forstyrrelser og se, hvordan partiklerne reagerer, "sagde Dutta." Vi har vist, at en simpel form for forstyrrelse faktisk kan producere - og bevare - mange sammenfiltrede par, hvilket er et stort incitament for eksperimentel udvikling på dette område. "

Forskerne håber at kunne bekræfte deres teoretiske fund med forsøg inden for det næste år.