Вплитането на отделни молекули, постигнато за първи път в света от физици от Принстънския университет, несъмнено е важна стъпка към създаването на дългоочакваните квантови компютри за потребителите.
Този метод, който позволява отделни молекули да бъдат свързани на големи разстояния, отваря недостижими досега възможности за квантови изчисления и моделиране на сложни материали.
Досега са били вплитани само атоми или групи от атоми.
Квантовото вплитане е феномен, при който две частици (или групи от частици) са свързани една с друга по такъв начин, че квантовото състояние на едната мигновено влияе на квантовото състояние на другата, независимо от разстоянието, което ги разделя. Тази характеристика, която Айнщайн първоначално е смятал за нереална, сега се признава за основен принцип на квантовата физика.
Лорънс Чук (Lawrence Cheuk) от Принстънския университет и колегите му подчертават важността на това явление в нова работа, публикувана в списание Science.
Чук казва, че квантовото вплитане е ключът към "квантовото предимство" – (в този момент) теоретичната точка, в която квантовите устройства превъзхождат съвременните "класически" компютри.
Постигането на квантово предимство се оказа предизвикателство. Множество технологии – включително уловени йони, фотони, свръхпроводящи вериги – са тествани, за да се направят от тях квантови битове за квантово устройство.
Преди това молекулите се противопоставяха на контролираното квантово вплитане. Но те също имат определени предимства пред единичните атоми. Молекулите могат да бъдат подредени по повече начини, което им дава повече "степени на свобода". Това означава, че те могат да си взаимодействат по нови начини.
"Това на практика означава, че има нови начини за съхраняване и обработка на квантова информация", обяснява съавторът Юкай Лу (Yukai Lu), също студент. "Например, една молекула може да вибрира и да се върти в множество режими. Така че може да се използват два от тези режими, за да се кодира кубит. Ако молекулярният вид е полярен, две молекули могат да взаимодействат дори когато са пространствено разделени."
Екипът на Чук успява да постигне вплитане чрез лазерно охлаждане на молекули до ултраниски температури, където доминират квантовите ефекти. След това те подреждат молекулите в дълги линии и кодират кубита в не-въртящи се и въртящи се състояния.
В обикновен компютър битовете работят в двоична система (0 и 1). В квантовите изчисления кубитите са единици информация, които могат да съществуват в суперпозиция на |0⟩ и |1⟩ квантови състояния. От друга страна, кубитите са единици от квантова информация, които могат да съществуват в суперпозиция на три ортогонални квантови състояния, често означавани |0⟩, |1⟩ и |2⟩. Способността да се работи с три квантови състояния, а не с две, осигурява по-голяма сложност и гъвкавост при обработката на квантова информация в сравнение с кубитите.
Това свойство е особено полезно за моделиране на сложни материали. Молекулите с техните квантови състояния могат по-добре да имитират сложните взаимодействия и енергийни състояния, които се срещат в реални материали. Това позволява на учените да симулират явления, които би било изключително трудно, ако не и невъзможно, да се симулират с помощта на кубити.
Освен това способността на молекулите да моделират фундаментални сили във физиката отваря вълнуващи перспективи. Кубитите биха могли да позволят моделирането на по-сложни квантови взаимодействия, като тези, включени в силни и слаби ядрени сили, или във феномени, които все още са слабо разбрани, като например високотемпературна свръхпроводимост.
Овладяване на неконтролируемото: предизвикателство за молекулите
Въпреки всичките им предимства, молекулите са изключително трудни за манипулиране поради тяхната сложност. Затова авторите са използвали "оптични пинсети". Тези инструменти използват силно фокусирани лазерни лъчи за улавяне и манипулиране на ултра-малки частици като молекули. Принципът на работа на оптичните пинсети се основава на радиационното налягане - силата/налягането, упражнено от светлина върху физически обекти. Чрез регулиране на свойствата на лазерния лъч, като неговия интензитет и фокус, учените могат точно да позиционират и задържат отделни молекули на място.
Използването на оптични пинсети за охлаждане на молекулите до ултраниски температури е важно, тъй като при такива температури молекулите са по-малко податливи на смущения от околната топлинна енергия. Това позволява на изследователите да ги поставят в специалните квантови състояния, необходими за експерименти със вплитане.
Освен това изследователите използват микровълнови импулси, за да предизвикат контролирани взаимодействия между молекулите. Като въздействат на уловените молекули, микровълните променят техните квантови състояния по съгласуван и контролиран начин. Такава кохерентност е от съществено значение за вплитането, тъй като позволява предсказуема и повторяема комуникация на квантовите състояния на молекулите.
Друга изследователска група, ръководена от изследователи от Харвардския университет и MIT, публикува отделно проучване в същия брой на Science с подобни резултати.
Работата "подчертава феноменалната скорост, с която тази област напредва", отбелязва в статия, публикувана в списание Nature Хана Уилямс (Hannah Williams), физик от Университета Дърам, Великобритания. "С това постижение те показват, че молекулите ще бъдат основата за конкурентна платформа, способна за квантови симулации."
Въведение в квантовото заплитане
Идеята за неопределеността е фундаментална за света на квантовата механика. Не можем да измерваме всички характеристики на една система едновременно, без значение колко перфектен е експериментът. Копенхагенската интерпретация на Нилс Бор ефективно ни показва, че самият акт на измерване избира характеристиките, които се наблюдават.
Вплитането е доста странно свойство на квантовата механика. Ако два електрона, например, бъдат изхвърлени от квантова система, тогава законите за запазване на импулса ни казват, че импулсът е равен и противоположен на този на другия. Въпреки това, според Копенхагенската интерпретация, нито една частица няма да има определено състояние, докато не бъде измерена. Когато се измери импулса на едната, това ще определи състоянието и импулса на другата частица, независимо от разстоянието между тях.
Основното:
Когато две субатомни частици взаимодействат една с друга, техните състояния стават взаимозависими – те се вплитат.
Те остават свързани дори когато са физически разделени (дори на огромни разстояния като различни галактики).
Манипулирането на една частица незабавно променя другата.
Измерването на свойствата на една частица ни дава данни за другата.
Това е известно като нелокално поведение, въпреки че Айнщайн го нарича "призрачно действие от разстояние". През 1935 г. Айнщайн заявява, че има скрити променливи, които го правят ненужно. Той твърди, че за да може една частица да повлияе на друга, ще е необходим сигнал, по-бърз от светлината между тях. Това е забранено според неговата Специалната теория на относителността.
Теорема на Бел:
През 1964 г. физикът Джон Стюарт Бел предлага експеримент, който разглежда въпроса дали вплетените частици действително комуникират помежду си по-бързо от скоростта на светлината. Той представя случай на свързани електрони, един със спин нагоре и един със спин надолу. (Спинът се отнася до ъгловия импулс на електроните). Според квантовата теория двата електрона са в суперпозиция на състояния, докато не бъдат измерени. Всеки един от тях може да има спин нагоре или надолу. Но докато измервате спина на единия електрон, знаете, че другият трябва да има обратния спин.
Формулите, получени от Бел, наречени неравенства на Бел, определят колко често спинът на една частица трябва да корелира със спина на другата частица, ако бъде включена нормалната вероятност, която всъщност се противопоставя на квантовото заплитане. Статистическото разпределение доказва математически, че Айнщайн не е бил прав и че има мигновена връзка между вплетените частици. Според физика Фритьоф Капра, теоремата на Бел описва как Вселената е "фундаментално взаимосвързана".
В заключение, квантовата сфера не е обвързана от правилата на локалността. Когато две частици претърпят вплитане, те са ефективно една система, която има една квантова функция.
