Aktarım olmadan kuantum dolaşması: Sızdıran kübitler gürültülü kanalların etrafında rota sunuyor

Bir kuantum sisteminden çevredeki ortama kaçınılmaz enerji ve bilgi sızıntısı kuantum teknolojisinin düşmanıdır. Artık araştırmacılar, kuantum teknolojilerinin standart klasik teknolojilerle erişilemeyen görevleri gerçekleştirmek için kullandığı “kaynak” olan dolaşıklığı oluşturmak için bundan yararlanılabileceğini gösterdi.

Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi ve Chicago Üniversitesi’ndeki fizikçiler arasındaki işbirliği, dışarıdan yönlendirilen bir kuantum sisteminin dağılma yoluyla dolaşıklığa ulaştığına dair teorik bir tahmin gerçekleştirdi. Orijinal tahmin oldukça idealleştirilmiş ayarlara dayansa da, araştırmacılar bu fenomeni bir çift süperiletken kubit ile laboratuvar ortamında gerçekleştirmek için sentetik sıkma adı verilen yeni bir teknik geliştirdiler.

Dahası, oluşturulan dolaşıklık sabit bir durumdadır; bu, prensipte, keyfi olarak büyük mesafelerde süresiz olarak muhafaza edilebileceği anlamına gelir. Araştırmacılar, bu tekniğin mevcut dolaşıklık oluşturma yöntemlerine göre daha sağlam ve güvenilir bir alternatif olarak umut vaat ettiğine inanıyor.

İşbirliğinin Illinois kısmına liderlik eden Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign Fizik Bölümü’nden fizik profesörü Wolfgang Pfaff, “Geçmişte dolanıklık oluşturmak, bir sistemin farklı bölümleri üzerinde bir dizi işlem gerçekleştirmek ve daha sonra bunları birbirlerinden uzaklaştırmak anlamına geliyordu” dedi. “Tahmin edebileceğiniz gibi taşıma aşamasında işler ters gidiyor ve çevre gürültüsü özenle hazırlanmış mülkleri bozuyor. Taşıma aşamasını tamamen atlamanın mümkün olduğunu gösterdik.”

İşbirliğinin Chicago bölümünü yöneten Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu’ndan moleküler mühendislik profesörü Aashish Clerk, “Bu fikir uzun süredir teorik olarak ilgi görüyor çünkü kuantum dolanıklık konusundaki deneyimlerimize ters düşüyor” dedi. “Bir anda hazırlayıp çürümesini izlemek yerine, bu sistemdeki doğal rahatlama noktası olarak ortaya çıkıyor. Bu, soğukluğu korumak için ısıyı dışarı pompalamak yerine, dolaşıklığı sürdürmek için dış etkileri dışarı pompalayan bir ‘buzdolabına’ sahip olmaya benziyor.”

Bu araştırma yakın zamanda dergide yayımlandı. Fiziksel İnceleme X.

Kuantum dolaşıklığı, bir sistemin farklı bölümlerinin, kuantum dışı yöntemlerle açıklanamayan korelasyonlar sergilediği bir olgudur. Kuantum bilgi teknolojisi, aksi takdirde imkansız veya pratik olmayan görevleri gerçekleştirmek için bu korelasyonlardan yararlanır. Uzmanların çoğu, bu teknolojinin gerçek potansiyelinin hayata geçirilebileceği alanlara inşa edilmesinin, fiziksel olarak ayrılmış birimlerin birleştirilmesini gerektireceğine inanıyor. Dolayısıyla birimlerin dolaşıklığı paylaşması için iyi bir yol olması gerekiyor.

Dolaşıklığı dağıtmaya yönelik mevcut yöntemler, farklı nesneleri tek bir konumda hazırlar ve daha sonra bunları farklı konumlara iletir. Nesneler, geçiş sırasında dış etkilere ve istenmeyen gürültüye maruz kalır, bu da dolaşıklığın aşınmasına neden olur; bu süreç eşevresizlik olarak adlandırılır. Bu etkileri yönetmek, kuantum teknolojisinin pratik fayda ile gerçekleştirilmesinin önündeki en önemli engellerden biri olmuştur.

Pfaff, “İlginç soru, uyumsuzluğa karşı savunmasız olan bu taşıma adımına ihtiyacımız olup olmadığıdır” dedi. “Hassas durumlardaki parçacıkları taşımak zorunda kalmadan uzaktan dolaşıklığa sahip olabilir miyiz?”

Teorisyenler, basamaklandırma olarak bilinen bir yapıyı kullanarak, ayrılmış nesneler arasında uzaktan dolaşma sağlamanın bir yolunu belirlediler. Atomlar (veya süper iletken kübitler) gibi bir dizi kuantum nesnesi, ışığı sürekli olarak emecek ve yayacak şekilde yapılmıştır. Bu ışığın bir kısmı çevredeki ortama dağılır. Dağılan ışığı dengeleyecek şekilde dışarıdan ışık verilirse kararlı bir durum ortaya çıkar. Bu kararlı durumun dikkatli bir şekilde tasarlanması, atomların veya kübitlerin dolaşıklık göstermesine neden olabilir.

Clerk, “Sistemin geneli dış ortamla temas halinde ve dengesiz olsa da, doğal olarak seçilmiş parçalarının karıştığı bir dinlenme noktasına doğru evriliyor” dedi. “Dahası, kuantum parçacıklarının asla hareket etmesine gerek yok. Sadece iletişim kurma yeteneğine ihtiyaçları var.”

Kademeli kuantum sistemleri elde edilmiş olsa da, gürültü ve donanım kusurları nedeniyle dolaşıklığın kalitesi genellikle diğer yöntemlere göre daha düşüktür. Araştırmacılar, bu “gerçek dünya” etkilerini hesaba katan bir çerçeve olarak sentetik sıkmayı tanıttılar ve sistemi bu etkilerin önemi kalmayacak şekilde ayarladılar.

Pfaff, “Daha önce kademeli kuantum sistemleriyle çalıştım, ancak Profesör Clerk ve onun araştırma grubuyla birlikte çalışarak yüksek kaliteli kararlı durum dolaşıklığının bu tahminini gerçekleştirebildik” dedi. “Sentetik sıkma konusundaki teorik önerileri, orijinal modelin idealleştirilmiş ayarının, doğru deneysel ayarların ayarlanmasıyla kopyalanabileceğini söylüyor. Bu, laboratuvardaki ince ayar sorununu azaltıyor.”

İki kübitli bir sistemde sentetik sıkıştırmayı kanıtlayan Illinois ve Chicago grupları, şimdi süreci çok kübitli sistemlere genişletmek için çalışıyor. Araştırmacılar, bu tekniğin, kuantum bilgilerinin gürültülü, kayıplı kanallar aracılığıyla doğrudan iletilmesine gerek kalmadan kuantum bilgisayarlarının ağ bağlantısı için umut vaat ettiğine inanıyor.

Pfaff, “Önümüzdeki çalışma, bu tür bir sistemde farklı protokollerin nasıl uygulanabileceğini bulmak ve bunu yaparak ne gibi avantajlar elde edileceğini belirlemek olacak” dedi.

Clerk, “Bizim için özellikle heyecan verici yollardan biri de dolaşıklık damıtmadır” diye ekledi. “Şu anda elde edebileceğimiz dolaşıklık derecesi oldukça iyi, ancak hala teorik sınırın altında. Düşük dolaşıklığa sahip kübitlerin bir araya getirilebildiği protokoller var, böylece bunlardan birkaçı çok yüksek derecede dolaşıklığa sahip oluyor. Böyle bir protokol, bu sistemle gerçek kuantum hesaplama işlemleri yapmaya başlamamıza olanak tanır.”

Bu çalışmaya katkıda bulunan diğer kişiler şunlardır: Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi’nden Abdullah İrfan, Kaushik Singirikonda, Michael Mollenhauer ve Xio Cao; ve Chicago Üniversitesi’nden Mingxing Yao ve Andrew Lingenfelter.