Een team van jonge wetenschappers van het Instituut voor Natuurwetenschappen en Wiskunde van de South Ural State University, onder leiding van natuurkundige en wiskundige professor Sergei Podoshvedov, hebben een algoritmische generator voorgesteld van de niet-klassieke lichttoestand die een "Schrödinger's kattoestand" met een zeer grote amplitude vertegenwoordigt. Dit algoritme speelt een belangrijke rol bij kwantumkoppeling en kwantumberekeningen in het optische veld met behulp van laserbronnen. De resultaten van dit werk zijn gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Is de kat dood of levend?

De onderzoekers hebben actief verschillende gebieden van de kwantummechanica bestudeerd. Een daarvan omvatte het idee om niet-klassieke lichttoestanden te genereren. De onderzoekers hebben overwogen welke voorwaarden moeten worden gecreëerd om met quantuminformatietransmissie te kunnen werken en hebben de mogelijkheid bepaald om dergelijke voorwaarden in de praktijk te creëren. Deze taak is zowel vanuit fundamenteel oogpunt (d.w.z. of het uberhaupt mogelijk is), en van de toegepaste, omdat lichtsignalen kwantuminformatie kunnen verzenden met behulp van verstrengelde deeltjes. De SUSU-wetenschappers hebben een algoritme voorgesteld om een ​​lichttoestand te creëren waarin fotonen zich in de toestand van een Schrödinger-kat bevinden.

In 1935, Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger, een van de eerste onderzoekers van de kwantummechanica, stelde een beroemd gedachte-experiment voor waarbij een kat in een kamer opgesloten zat. Zijn leven hangt af van het verval van een radioactief atoom; als het atoom vervalt, een relais activeert en laat een hamer los die een fles gif verbrijzelt, en de kat is vergiftigd; als het atoom niet vervalt, de kat blijft in leven. Zodra de kamer is geopend, de waarnemer kan slechts één van de twee toestanden waarnemen:de kern is vervallen, en de kat is dood, of de kern is niet vervallen, en de kat leeft. Voordat het gebeurt, de hypothetische kat is zowel dood als levend.

Schrödingers illustratie beschrijft de belangrijkste paradox van de kwantumfysica:deeltjes, zoals elektronen, fotonen en zelfs atomen, kan in twee staten tegelijk bestaan. Het creëren van optische elementen met behulp van elementaire deeltjes voor kwantumcomputers is een veelbelovende richting. Waarschijnlijk, echter, een kwantumcomputer zal worden ontworpen op basis van verschillende fysieke systemen, inclusief het gebruik van optische qubits.

Bij kwantumberekeningen de kat-staat van Schrödinger is een speciale verstrengelde (gekoppelde) staat van qubits, waarin ze allemaal in een gelijke superpositie van alle nullen en enen staan.

"Qubits kunnen worden beïnvloed door de omgeving en, daarom, betrouwbare computersystemen nodig hebben. Dat alles stelt zeer hoge eisen aan elk fysiek systeem op basis van qubits, evenals de kwantumpoorten die de invoerstatussen van qubits omzetten in uitvoerstatussen. Verschillende fysieke systemen kunnen worden gebruikt voor verschillende kwantumprotocollen. Vooral, aangezien licht de maximaal mogelijke voortplantingssnelheid heeft en zwak interageert met de omringende lawaaierige omgeving, optische systemen worden naast atomaire systemen geplaatst bij het ontwikkelen van de mogelijke configuraties van een kwantumcomputer, " legt Dmitrii Kuts uit.

De superpositieconditie maakt kwantumcomputers ongelooflijk krachtig. Maar het bemoeilijkt de berekeningen aanzienlijk. Qubits moeten niet alleen hun staat behouden; ze moeten ook met elkaar omgaan. En de situatie wordt gecompliceerder als we kijken naar de interactie tussen tientallen of honderden qubits.

Nieuwe stappen om het doel te bereiken

De wetenschappers zijn van plan experimenten uit te voeren om een ​​bepaalde bron van verstrengeld licht te creëren, onafhankelijk van de beginomstandigheden. On-demand creëren van een bron van verstrengeling is een cruciaal element voor de praktische implementatie van alle kwantumprotocollen, inclusief de creatie van een kwantumcomputer. De belofte van kwantumcomputing is het efficiënt implementeren van hardnekkige algoritmen om functies uit te voeren zoals het snel kiezen van de juiste oplossing uit miljoenen opties, of zoeken naar ongesorteerde gegevens, die niet efficiënt kunnen worden uitgevoerd door computers die werken op klassieke wetten. Maar om een ​​werkende kwantumcomputer te realiseren, een multifunctionele set van bepaalde bewerkingen met een grote set qubits moet efficiënt worden uitgevoerd. De diversiteit van de mogelijke toestanden van een qubit verhoogt de capaciteit aanzienlijk, en daarom, de potentiële rekenkracht van een computer.

"Als een regel, onderzoekers geleidingsexperimenten kunnen slechts een zeer beperkt aantal bruikbare toestanden in de praktijk implementeren. Een on-demand implementatie van een gewenste kwantumtoestand is de sleutel tot de werking van kwantumtoestanden en een groot aantal verschillende kwantumprotocollen. In essentie, een kwantumcomputer is zelf een generator van de vereiste uitvoerstatus, de informatie waaruit door middel van meting wordt gehaald. Hetzelfde kan ook gezegd worden van, bijvoorbeeld, een protocol van kwantumteleportatie van een onbekende toestand, of, laten we zeggen, van een kwantuminternet. enige progressie, of het nu een nieuw mechanisme is of een nieuw algoritme in kwantumtechniek, brengt de mensheid dichter bij het realiseren van een efficiënte kwantumcomputer en een poging om buiten de grenzen van de fysieke wereld te kijken, ", zegt Sergei Podoshvedov.

Hoewel er meerdere benaderingen voor optische kwantumcomputers zijn voorgesteld, geen enkele is volledig bevredigend; bestaande voorstellen zijn vrij ingewikkeld of beperkt toepasbaar. Bijvoorbeeld, de implementatie van een eenvoudige logische operatie zou een onaanvaardbaar groot aantal extra operaties vereisen. Dus efficiënt gebruik maken van de optische bronnen, interactiemechanismen en geschikte toestanden is nog een open vraag. Quantum engineering van toestanden blijft een onopgelost probleem van de kwantumverwerking van informatie.

De kattentoestand van Schrödinger zou onderzoekers in staat kunnen stellen verliezen tijdens de kwantumverwerking van informatie te verminderen, en kan in elke omgeving met grote amplitudes worden gecreëerd. Hoe dan ook, er doen zich een aantal problemen voor bij het werken met hen. Bijvoorbeeld, deze toestanden moeten stabiel zijn, en kwantumbewerkingen moeten zeer snel worden uitgevoerd. Wetenschappers over de hele wereld werken aan het oplossen van deze taken.