Ruis beperkt de prestaties van moderne kwantumtechnologieën. Echter, deeltjes die in een superpositie van paden reizen, kunnen ruis in communicatie omzeilen. Een samenwerking tussen de universiteiten van Hong-Kong, Grenoble en Wenen, evenals de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, onder leiding van Philip Walther, onthult nieuwe technieken om ruis in kwantumcommunicatie te verminderen. De resultaten, gepubliceerd in het laatste nummer van Fysiek beoordelingsonderzoek , demonstreren dat kwantumdeeltjes die in een superpositie van paden reizen, ruisonderdrukking in communicatie mogelijk maken.

Een van de meest actieve onderzoeksgebieden in de moderne natuurkunde, zowel op academisch niveau als daarbuiten, zijn kwantumberekening en communicatie, die kwantumfenomenen zoals superpositie en verstrengeling toepassen om berekeningen uit te voeren, of om informatie uit te wisselen. Een aantal onderzoeksgroepen over de hele wereld hebben kwantumapparaten gebouwd die berekeningen sneller kunnen uitvoeren dan welke klassieke computer dan ook. Nog, er is nog een lange weg te gaan voordat deze apparaten kunnen worden omgezet in verhandelbare kwantumcomputers. Een reden hiervoor is dat zowel kwantumberekening als kwantumcommunicatie sterk verslechterd zijn door het gemak waarmee een kwantumsuperpositietoestand kan worden vernietigd, of verstrengeling tussen twee of meer kwantumdeeltjes kan verloren gaan.

De primaire benadering om deze beperkingen te overwinnen, is de toepassing van zogenaamde kwantumfoutcorrigerende codes. Dit, echter, vereist een hoeveelheid middelen die groter is dan wat momenteel op een gecontroleerde manier kan worden bereikt. Terwijl, op lange termijn, foutcorrectie zal waarschijnlijk een integraal onderdeel worden van toekomstige kwantumapparaten, een aanvullende benadering is het verminderen van het geluid — dat wil zeggen:het cumulatieve effect van niet-gecorrigeerde fouten - zonder afhankelijk te zijn van zoveel extra middelen. Dit worden geluidsreducerende regelingen genoemd.

Geluidsbeperking zonder extra middelen door eenvoudige kwantumschema's

Een nieuwe benadering langs deze onderzoekslijn is onlangs voorgesteld om ruis te verminderen in een communicatieschema tussen twee partijen. Stel je twee partijen voor die willen communiceren door een kwantumdeeltje uit te wisselen, toch moet het deeltje over een aantal defecte transmissielijnen worden gestuurd (afgebeeld in de artistieke illustratie).

Onlangs, een team van onderzoekers van de Hong-Kong University stelde voor dat een algehele vermindering van ruis zou kunnen worden bereikt door het deeltje langs een kwantumsuperpositie van paden door ruisgebieden in tegengestelde volgorde te leiden. Vooral, terwijl klassiek een deeltje maar langs één pad kan reizen, in de kwantummechanica kan het langs meerdere paden tegelijk bewegen. Als je deze eigenschap gebruikt om het deeltje langs twee kwantumpaden te sturen, men kan, bijvoorbeeld, leiden het deeltje gelijktijdig in tegengestelde volgorde door de lawaaierige gebieden. Dit effect was experimenteel aangetoond door twee onafhankelijke onderzoeksonderzoeken.

Deze resultaten suggereerden dat, om deze geluidsreductie te bereiken, het is noodzakelijk om de ruisende transmissielijnen in een kwantumsuperpositie van tegengestelde orden te plaatsen. Kort daarna, onderzoeksgroepen in Wenen en in Grenoble realiseerden zich dat dit effect ook kan worden bereikt via eenvoudigere configuraties, die zelfs het lawaai tussen de twee partijen volledig kan elimineren.

Al deze schema's zijn nu experimenteel geïmplementeerd en met elkaar vergeleken door een onderzoeksteam onder leiding van Philip Walther van de Universiteit van Wenen. In dit werk, verschillende manieren om door twee ruisgebieden in kwantumsuperpositie te gaan, worden vergeleken voor verschillende soorten ruis. De experimentele resultaten worden ook ondersteund met numerieke simulaties om het onderzoek uit te breiden naar meer generieke soorten ruis. Verrassend genoeg, het is gebleken dat de eenvoudigste schema's voor kwantumsuperpositie van kanalen met ruis ook de beste reductie bieden van de ruis die de communicatie beïnvloedt.

"Foutcorrectie in moderne kwantumtechnologieën is een van de meest dringende behoeften van de huidige kwantumberekenings- en communicatieschema's. Ons werk laat zien dat, tenminste in het geval van kwantumcommunicatie, al met de technologieën die momenteel in gebruik zijn, is het misschien mogelijk om dit probleem te verminderen zonder dat er extra middelen nodig zijn, " zegt Giulia Rubino, eerste auteur van de publicatie in Fysiek beoordelingsonderzoek . Het gemak van de gedemonstreerde techniek maakt onmiddellijk gebruik in de huidige langeafstandscommunicatie mogelijk, en belooft mogelijke verdere toepassingen in kwantumberekening en kwantumthermodynamica.