Ny tilgang til informationsoverførsel når kvantehastighedsgrænsen

Selvom kvantecomputere er en ung teknologi og endnu ikke er klar til rutinemæssig praktisk brug, forskere har allerede undersøgt de teoretiske begrænsninger, der vil binde kvanteteknologier. En af de ting, forskere har opdaget, er, at der er grænser for, hvor hurtigt kvanteinformation kan løbe henover enhver kvanteenhed.

Disse hastighedsgrænser kaldes Lieb-Robinson grænser, og, for flere år, nogle af grænserne har hånet forskere. Til visse opgaver, der var en kløft mellem de bedste hastigheder tilladt af teorien og de hastigheder, der var mulige med de bedste algoritmer nogen havde designet. Det er som om ingen bilproducent kunne finde ud af at lave en model, der nåede den lokale motorvejsgrænse.

Men i modsætning til hastighedsbegrænsninger på veje, informationshastighedsgrænser kan ikke ignoreres, når du har travlt – de er de uundgåelige resultater af fysikkens grundlæggende love. Til enhver kvanteopgave, der er en grænse for, hvor hurtigt interaktioner kan gøre deres indflydelse gældende (og dermed overføre information) et vist stykke væk. De underliggende regler definerer den bedste ydeevne, der er mulig. På denne måde, informationshastighedsgrænser ligner mere den maksimale score på et gammeldags arkadespil end færdselslovene, og at opnå den ultimative score er en dragende præmie for videnskabsmænd.

Nu er et team af forskere, ledet af JQI Fellow Alexey Gorshkov, har fundet en kvanteprotokol, der når de teoretiske hastighedsgrænser for visse kvanteopgaver. Deres resultat giver ny indsigt i at designe optimale kvantealgoritmer og beviser, at der ikke har været en lavere, uopdagede begrænser forpurrende forsøg på at lave bedre designs. Gorshkov, som også er stipendiat ved Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) og fysiker ved National Institute of Standards and Technology, og hans kolleger præsenterede deres nye protokol i en nylig artikel offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

"Denne kløft mellem maksimale hastigheder og opnåelige hastigheder havde generet os, fordi vi ikke vidste om det var bundet der var løst, eller hvis vi ikke var kloge nok til at forbedre protokollen, " siger Minh Tran, en JQI og QuICS kandidatstuderende, der var hovedforfatter på artiklen. "Vi havde faktisk ikke forventet, at dette forslag ville være så kraftfuldt. Og vi prøvede meget for at forbedre grænsen - det viser sig, at det ikke var muligt. Så, vi er spændte på dette resultat."

Ikke overraskende, den teoretiske hastighedsgrænse for at sende information i en kvanteenhed (såsom en kvantecomputer) afhænger af enhedens underliggende struktur. Den nye protokol er designet til kvanteenheder, hvor de grundlæggende byggesten – qubits – påvirker hinanden, selv når de ikke er lige ved siden af ​​hinanden. I særdeleshed, holdet designede protokollen for qubits, der har interaktioner, der svækkes, efterhånden som afstanden mellem dem vokser. Den nye protokol fungerer for en række interaktioner, der ikke svækkes for hurtigt, som dækker interaktionerne i mange praktiske byggesten i kvanteteknologier, herunder kvælstof-fritidscentre, Rydberg atomer, polære molekyler og fangede ioner.

Afgørende, protokollen kan overføre information indeholdt i en ukendt kvantetilstand til en fjern qubit, en væsentlig funktion for at opnå mange af de fordele, som kvantecomputere lover. Dette begrænser måden information kan overføres på og udelukker nogle direkte tilgange, som bare at oprette en kopi af oplysningerne på det nye sted. (Det kræver at kende den kvantetilstand, du overfører.)

I den nye protokol, data gemt på en qubit deles med naboerne, ved hjælp af et fænomen kaldet kvantesammenfiltring. Derefter, da alle disse qubits hjælper med at bære informationen, de arbejder sammen for at sprede det til andre sæt qubits. Fordi flere qubits er involveret, de overfører informationen endnu hurtigere.

Denne proces kan gentages for at blive ved med at generere større blokke af qubits, der videregiver informationen hurtigere og hurtigere. Så i stedet for den ligefremme metode med qubits, der sender information én efter én som et basketballhold, der sender bolden ned ad banen, qubits er mere som snefnug, der kombineres til en større og hurtigere rullende snebold ved hvert trin. Og jo større snebold, jo flere flager hænger ved hver omdrejning.

Men det er måske her, lighederne med snebolde slutter. I modsætning til en rigtig snebold, kvantesamlingen kan også rulle sig selv ud. Informationen efterlades på den fjerne qubit, når processen kører omvendt, returnere alle de andre qubits til deres oprindelige tilstande.

Da forskerne analyserede processen, de fandt ud af, at snebold-qubits suser langs informationen ved de teoretiske grænser, som fysikken tillader. Da protokollen når den tidligere beviste grænse, ingen fremtidig protokol burde kunne overgå det.

"Det nye aspekt er den måde, vi sammenfiltrer to blokke af qubits på, " siger Tran. "Tidligere, der var en protokol, der viklede information ind i én blok og derefter forsøgte at flette qubits fra den anden blok ind i den én efter én. Men nu, fordi vi også vikler qubits ind i den anden blok, før vi flettes ind i den første blok, forbedringen vil være større."

Protokollen er resultatet af, at teamet har udforsket muligheden for samtidig at flytte information, der er lagret på flere qubits. De indså, at brug af blokke af qubits til at flytte information ville øge en protokols hastighed.

"På den praktiske side, protokollen tillader os ikke kun at udbrede information, men vikle partikler hurtigere ind, " siger Tran. "Og vi ved, at ved at bruge sammenfiltrede partikler kan du gøre en masse interessante ting som at måle og føle med en højere nøjagtighed. Og at flytte information hurtigt betyder også, at du kan behandle information hurtigere. Der er mange andre flaskehalse i at bygge kvantecomputere, men i det mindste på den grundlæggende grænseside, vi ved, hvad der er muligt, og hvad der ikke er."

Ud over den teoretiske indsigt og mulige teknologiske anvendelser, holdets matematiske resultater afslører også ny information om, hvor stor en kvanteberegning skal være for at simulere partikler med vekselvirkninger som dem af qubits i den nye protokol. Forskerne håber at udforske grænserne for andre former for interaktioner og at udforske yderligere aspekter af protokollen, såsom hvor robust den er mod støj, der forstyrrer processen.