Квантовая тэлепартацыя поўнай лагічнай аперацыі, дасягнутай фізікамі

Даследчыкі паспяхова выкарыстоўвалі квантавую тэлепартацыю для перадачы поўнай квантавай лагічнай аперацыі з аднаго іёна на іншы - важны крок да развіцця шырокамаштабнага квантавага кампутара.

Фізікі з Нацыянальнага інстытута стандартаў і тэхналогій (NIST) паспяхова тэлепартавалі інструкцыю па кампутарнай схеме, вядомай як квантавая логіка працы двух раздзеленых іёнаў - электрычна зараджаных атамаў. Тэст паказвае, як квантавыя камп'ютэрныя праграмы маглі выконваць задачы ў будучых маштабных квантавых сетках.

Інфаграфіка, якая тлумачыць, як працуе тэлепартацыя вароты. (NIST)

Квантавая тэлепартацыя ставіцца да перадачы дадзеных з адной квантовай сістэмы - у дадзеным выпадку іённай - у іншую. Гэта можна зрабіць, нават калі абедзве сістэмы цалкам ізаляваны адна ад адной, як дзве кнігі ў падвалах асобных будынкаў.

Розніца паміж гэтай формай тэлепартацыі ў рэальным жыцці і тым, што можна было б убачыць у "Зорным шляху" ці іншым навуковым фантастычным напрамку, заключаецца ў тым, што ў квантавай тэлепартацыі транспартуецца толькі інфармацыя, не важна. Так што, на жаль, не б'ецца на працу, каб перамагчы ранішні пік.

Гэта не першы раз, калі квантовая тэлепартацыя была прадэманстравана з іёнамі і рознымі іншымі квантовымі сістэмамі, але гэта першая тэлепартацыя поўнай квантавай логікі з выкарыстаннем іёнаў. Гэта асабліва важна, таму што іёны з'яўляюцца вядучым кандыдатам у архітэктуру будучых квантавых кампутараў.

Эксперыменты апісаны ў нумары Science пра 31 мая.

Фізік NIST Дзітрых Лейбфрыд тлумачыць: "Мы пераканаліся, што наша лагічная аперацыя працуе на ўсіх станах уваходжання двух квантавых біт з верагоднасцю ад 85 да 87% - далёка не ідэальна, але гэта пачатак".

Калі поўнамаштабны квантавы кампутар можа быць пабудаваны, гэта можа вырашыць пэўныя праблемы, якія ў цяперашні час невырашальныя. Праца над гэтым NIST спрыяла глабальным навукова-даследчым намаганням па выкарыстанні квантавага паводзін для практычных тэхналогій.

Квантовым камп'ютэрам, верагодна, спатрэбяцца мільёны квантовых біт альбо "кубітаў", каб працаваць, як спадзяюцца даследчыкі, ім таксама спатрэбяцца спосабы правядзення аперацый паміж кубітамі, размеркаванымі на шырокамаштабных машынах і сетках. Тэлепартацыя лагічных аперацый - адзін са спосабаў зрабіць гэта без прамых квантавых механічных сувязей. Акрамя гэтага, фізічныя сувязі для абмену класічнай інфармацыяй па-ранейшаму будуць неабходныя.

Як працуе квантавая тэлепартацыя.

Каманда NIST тэлепартавала квантовую (не-CNOT) логічную працу - логічны затвор - паміж двума кубітамі іёна берылію, размешчанымі больш чым на 340 мкм (мільённыя метры) адзін ад аднаго ў асобных зонах іённай пасткі. Гэта адлегласць, якое выключае любое істотнае прамое ўзаемадзеянне квантавых сістэм.

Аперацыя CNOT пераключае другі кубіт з 0 на 1, ці наадварот, але толькі калі першы кубіт роўны 1 - нічога не адбываецца, калі першы кубіт роўны 0. У звычайнай квантавай форме абодва кубіты могуць знаходзіцца ў "суперпазіцыі", у якім яны маюць значэнні як 1, так і 0 адначасова.

Працэс тэлепартацыі NIST абапіраецца на заблытанасць, якая злучае квантавыя ўласцівасці дзвюх і больш заблытаных часціц, нават калі яны падзелены вялікімі адлегласцямі.

Пара "заблакаваных" заблытаных іёнаў магнію выкарыстоўваецца для перадачы інфармацыі паміж іёнамі берылію.

Як даведалася каманда NIST, гэта тое, што працэс тэлепортавання CNOT заблытаў два іёны магнію - гэта найважнейшы ранні крок - з 95% паспяховасцю, а пры поўнай логіцы працы атрымалася 85% да 87% часу.

Лейбфрыд працягвае: "Тэлепартацыя праз вароты дазваляе нам правесці квантовую логічную браму паміж двума іёнамі, якія былі прасторава падзеленыя і, магчыма, ніколі раней не ўзаемадзейнічалі.

"Хітрасць заключаецца ў тым, што ў кожнага з іх ёсць адзін іён другой заблытанай пары побач, і гэты рэсурс заблытанасці, размеркаваны перад варотамі, дазваляе нам зрабіць квантавы трук, які не мае класічнага аналага".

Навуковец дадае, што заблытаныя пары пасланцаў могуць быць выраблены ў спецыяльнай частцы кампутара і адпраўлены асобна кубітам, якія трэба злучыць з лагічнымі варотамі, але знаходзяцца ў аддаленых месцах.

Праца NIST таксама інтэгравала ў адзін эксперымент некалькі аперацый, якія будуць мець важнае значэнне для стварэння буйнамаштабных квантавых кампутараў на аснове іёнаў. Гэта ўключае ў сябе кіраванне рознымі тыпамі іёнаў, транспарт іёнаў і заблытванне на выбраных падмноствах сістэмы. Зноў жа, гэта першы раз, калі каманда даследчыкаў дасягнула такога подзвігу.

Каб пераканацца, што яны выконвалі затвор CNOT, даследчыкі падрыхтавалі першы кубіт у 16 ​​розных спалучэннях станаў уводу, а потым вымералі выхады на другі кубіт. Гэта стварыла абагульненую квантавую «табліцу праўды», якая паказвае адпрацаваны працэс.

У дадатак да стварэння табліцы праўды, даследчыкі правяралі паслядоўнасць дадзеных за працяглы час выканання, каб дапамагчы вызначыць крыніцы памылак у эксперыментальнай наладзе.

Чакаецца, што гэты метад стане важным інструментам для характарыстыкі квантавых інфармацыйных працэсаў у будучых эксперыментах і будзе яшчэ адным крокам на шляху да паспяховых квантавых вылічэнняў.

Арыгінальныя даследаванні: Y. Wan, D. Kienzler, S. Erickson, KH Mayer, TR Tan, J. Wu, HM Vasconcelos, S. Glancy, E. Knill, DJ Wineland, AC Wilson і D. Leibfried. 2019. Тэлепартацыя квантавых варот паміж аддзеленымі зонамі працэсара ў пастцы іёнаў. Навука. 31 мая.