Hoewel kwantumcomputers een jonge technologie zijn en nog niet klaar voor routinematig praktisch gebruik, onderzoekers hebben al de theoretische beperkingen onderzocht die kwantumtechnologieën zullen binden. Een van de dingen die onderzoekers hebben ontdekt, is dat er grenzen zijn aan hoe snel kwantuminformatie over elk kwantumapparaat kan racen.

Deze snelheidslimieten worden Lieb-Robinson-grenzen genoemd, en, Voor meerdere jaren, sommige van de grenzen hebben onderzoekers beschimpt. Voor bepaalde taken kan er was een kloof tussen de beste snelheden toegestaan ​​door de theorie en de snelheden die mogelijk waren met de beste algoritmen die iemand had ontworpen. Het is alsof geen enkele autofabrikant zou kunnen bedenken hoe hij een model kon maken dat de lokale snelweglimiet bereikte.

Maar in tegenstelling tot snelheidsbeperkingen op wegen, informatiesnelheidslimieten kunnen niet worden genegeerd als je haast hebt - ze zijn de onvermijdelijke resultaten van de fundamentele wetten van de natuurkunde. Voor elke kwantumtaak, er is een grens aan hoe snel interacties hun invloed op een bepaalde afstand kunnen doen voelen (en dus informatie kunnen overdragen). De onderliggende regels definiëren de best mogelijke prestatie. Op deze manier, informatiesnelheidslimieten lijken meer op de maximale score van een ouderwets arcadespel dan verkeerswetten, en het behalen van de ultieme score is een aantrekkelijke prijs voor wetenschappers.

Nu een team van onderzoekers, geleid door JQI Fellow Alexey Gorshkov, hebben een kwantumprotocol gevonden dat de theoretische snelheidslimieten voor bepaalde kwantumtaken bereikt. Hun resultaat biedt nieuw inzicht in het ontwerpen van optimale kwantumalgoritmen en bewijst dat er geen lagere, onontdekte grenzen dwarsbomen pogingen om betere ontwerpen te maken. Gorsjkov, die ook een Fellow is van het Joint Centre for Quantum Information and Computer Science (QuICS) en een fysicus bij het National Institute of Standards and Technology, en zijn collega's presenteerden hun nieuwe protocol in een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

"Deze kloof tussen maximale snelheden en haalbare snelheden zat ons dwars, omdat we niet wisten of het de band was die los zat, of als we niet slim genoeg waren om het protocol te verbeteren, " zegt Minh Tran, een JQI- en QuICS-afgestudeerde student die de hoofdauteur van het artikel was. "We hadden eigenlijk niet verwacht dat dit voorstel zo krachtig zou zijn. En we probeerden veel om de grens te verbeteren - dat bleek niet mogelijk. Dus, we zijn enthousiast over dit resultaat."

Niet verrassend, de theoretische snelheidslimiet voor het verzenden van informatie in een kwantumapparaat (zoals een kwantumcomputer) hangt af van de onderliggende structuur van het apparaat. Het nieuwe protocol is ontworpen voor kwantumapparaten waarbij de basisbouwstenen - qubits - elkaar beïnvloeden, zelfs als ze niet naast elkaar staan. Vooral, het team ontwierp het protocol voor qubits die interacties hebben die verzwakken naarmate de afstand tussen hen groter wordt. Het nieuwe protocol werkt voor een reeks interacties die niet te snel verzwakken, die de interacties in veel praktische bouwstenen van kwantumtechnologieën omvat, inclusief stikstof-leegstandscentra, Rydberg-atomen, polaire moleculen en ingesloten ionen.

Cruciaal, het protocol kan informatie in een onbekende kwantumtoestand overbrengen naar een verre qubit, een essentieel kenmerk voor het bereiken van veel van de voordelen die door kwantumcomputers worden beloofd. Dit beperkt de manier waarop informatie kan worden overgedragen en sluit enkele directe benaderingen uit, zoals het maken van een kopie van de informatie op de nieuwe locatie. (Dat vereist kennis van de kwantumtoestand die u overdraagt.)

In het nieuwe protocol gegevens die op één qubit zijn opgeslagen, worden gedeeld met zijn buren, met behulp van een fenomeen dat kwantumverstrengeling wordt genoemd. Vervolgens, aangezien al die qubits helpen de informatie te dragen, ze werken samen om het naar andere sets qubits te verspreiden. Omdat er meer qubits bij betrokken zijn, ze dragen de informatie nog sneller over.

Dit proces kan worden herhaald om steeds grotere blokken qubits te genereren die de informatie steeds sneller doorgeven. Dus in plaats van de rechttoe rechtaan methode van qubits die informatie één voor één doorgeven, zoals een basketbalteam de bal over het veld gooit, de qubits zijn meer als sneeuwvlokken die bij elke stap worden gecombineerd tot een grotere en sneller rollende sneeuwbal. En hoe groter de sneeuwbal, hoe meer vlokken bij elke omwenteling blijven plakken.

Maar dat is misschien waar de overeenkomsten met sneeuwballen eindigen. In tegenstelling tot een echte sneeuwbal, de quantumcollectie kan zichzelf ook ontrollen. De informatie blijft op de verre qubit staan ​​wanneer het proces in omgekeerde volgorde verloopt, het terugbrengen van alle andere qubits naar hun oorspronkelijke staat.

Toen de onderzoekers het proces analyseerden, ze ontdekten dat de sneeuwbal-qubits zich langs de informatie versnellen met de theoretische limieten die door de natuurkunde zijn toegestaan. Aangezien het protocol de eerder bewezen limiet bereikt, geen enkel toekomstig protocol zou het moeten kunnen overtreffen.

"Het nieuwe aspect is de manier waarop we twee blokken qubits verstrengelen, " zegt Tran. "Voorheen, er was een protocol dat informatie in één blok verstrengelde en vervolgens probeerde de qubits van het tweede blok er één voor één in samen te voegen. Maar nu we ook de qubits in het tweede blok verstrengelen voordat we het in het eerste blok samenvoegen, de verbetering zal groter zijn."

Het protocol is het resultaat van het onderzoek van het team naar de mogelijkheid om informatie die op meerdere qubits is opgeslagen tegelijkertijd te verplaatsen. Ze realiseerden zich dat het gebruik van blokken qubits om informatie te verplaatsen de snelheid van een protocol zou verhogen.

"Aan de praktische kant het protocol stelt ons in staat om niet alleen informatie te verspreiden, maar ook deeltjes sneller verstrengelen, " zegt Tran. "En we weten dat je met verstrengelde deeltjes veel interessante dingen kunt doen, zoals meten en voelen met een hogere nauwkeurigheid. En informatie snel verplaatsen betekent ook dat u informatie sneller kunt verwerken. Er zijn veel andere knelpunten bij het bouwen van kwantumcomputers, maar in ieder geval aan de kant van de fundamentele limieten, we weten wat mogelijk is en wat niet."

Naast de theoretische inzichten en mogelijke technologische toepassingen, de wiskundige resultaten van het team onthullen ook nieuwe informatie over hoe groot een kwantumberekening moet zijn om deeltjes te simuleren met interacties zoals die van de qubits in het nieuwe protocol. De onderzoekers hopen de grenzen van andere soorten interacties te verkennen en aanvullende aspecten van het protocol te onderzoeken, zoals hoe robuust het is tegen ruis die het proces verstoort.