Schrödingerio katinas, kvantinės mechanikos įvaizdis, atsilaikė. Atlikdami nuolatinius, bet silpnus kvantinių sistemų matavimus fizikai sugebėjo ištirti trapias kvantines būsenas, jų nesunaikindami – tai atitinka žvilgtelėjimą į metaforinį Schrodingerio katiną, jo nenugalabijant. Šis rezultatas turėtų padėti lengviau suvaldyti tokias sistemas, kaip kvantiniai kompiuteriai, išnaudojančias egzotiškas kvantinio pasaulio savybes.

Kvantiniai objektai turi keistą, bet naudingą savybę egzistuoti daugelyje būsenų tuo pačiu metu, tai yra, būti superpozicijoje. Fizikas Erwinas Schrödingeris iliustravo keistas superpozicijos savybes, įsivaizduodamas katiną dėžėje, kurio lemtis priklauso nuo radioaktyvaus atomo. Kadangi atomo skilimą pavaldus kvantų mechanikai – įgauna apibrėžtą reikšmę tik išmatuotas – katinas, galima sakyti, tuo pačiu metu yra ir gyvas ir miręs tol, kol dėžė atidaroma.

Superpozicija teoriškai turėtų leisti atlikti skaičiavimus lygiagrečiai, laikant informaciją kvantiniuose bituose (kubituose). Ne taip, kaip paprasti bitai, kubitai turi ne 1 ir 0 reikšmes, bet egzistuoja, kaip šių dviejų reikšmių mišinys, įgaunantis 1 ar 0 reikšmę tik pamatuotas.

Tačiau dėl galimybės sugriauti superpoziciją vien į ją žvilgtelėjus, tokios sistemos yra labai trapios. Tai buvo kliūtis kvantinius kompiuterius kuriantiems mokslininkams, kuriems reikia, kad kvantinė būsena išliktų pakankamai ilgai, kol bus baigtas skaičiavimas.

Švelnus matavimas

Tyrėjai teigė, kad iš principo turėtų būti įmanoma atlikti pakankamai „švelnius“ ir nesunaikinančius superpozicijos matavimus. Idėja buvo išmatuoti ne taip tiesiogiai, kad būtų aiški 1 ar 0 reikšmė – tai tas pats, lyg į Schrödingerio katę žvelgtume per matinį stiklą. Tai neleistų gauti „tvirtos“ informacijos – katinas gyvas ar ne, – bet būtų galima išsiaiškinti kitas savybes.

R. Vijay su kolegomis iš Kalifornijos universiteto Berklyje sugebėjo sukurti veikiantį tokių matinių stiklų ekvivalentą. „Mes dėžę atidarome ne iki galo,“ lygina Vijay.

Komanda pradėjo nuo mažytės superlaidžios grandinės, paprastai naudojamos, kaip kubitas kvantiniuose kompiuteriuose ir suteikė jam superpoziciją, paeiliui keisdami būklę nuo 0 iki 1 , kad jis įgautų visus įmanomus būklių mišinius.

Paskui komanda išmatavo šios kaitos dažnį. Tai iš principo yra silpnesnis matavimas, nei nustatymas, kad bitas bet kuriuo momentu įgavo 1 ar 0 reikšmę, tad mintis buvo, kad gali būti įmanoma jį atlikti, neverčiant kubitų pasirinkti 1 ar 0 reikšmės. Tačiau taip pat iškilo ir komplikacijų.

Kvantinis ritmas

Nors matavimas buvo pakankamai švelnus, kad nesunaikintų kvantinės superpozicijos, jis atsitiktinai keitė osciliacijos dažnį. To nebuvo galima numatyti, bet komandai pavyko matavimus atlikti labai greitai ir tyrėjai galėjo atlikti tokio paties dydžio, bet priešingą pokytį sistemai, taip grąžindami kubito dažniui tokią reikšmę, kokią turėtų, jei matavimas nebūtų atliktas visai.

Tai panašu į širdies ritmo reguliatoriaus veikimą: jei sistema pernelyg nutolsta nuo pageidaujamos būsenos – ritmingo širdies plakimo ar vienetukų ir nuliukų superpozicijos, – galima stumtelėti ją ten, kur ji turėtų būti.

Vijay'aus komanda nebuvo pirmoji, sugalvojusi naudoti grįžtamąjį ryšį kvantinių sistemų tyrimui, bet praeityje ribojantis faktorius buvo tai, kad toks silpnas matavimas, kuris išsaugotų sistemą, davė per mažą signalą, kad jį būtų galima aptikti ir taisyti, tuo tarpu didesni matavimai sistemoje sukeldavo pernelyg daug triukšmų, kad būtų galima juos sukontroliuoti.

Klaidų taisymas

Vijay su kolegomis naudojo naujo tipo stiprintuvą, sustiprinantį signalą, jo neužteršdamas. Jie išsiaiškino, kad kubitas osciliavo viso eksperimento metu. Tai tetruko maždaug viena šimtąją sekundės dalį, bet svarbiausia, kad kubitas ištvėrė matavimą.

„Ši demonstracija parodė, kad esame labai arti kvantų klaidų kontrolės įgyvendinimo,“ pastebi Vijay'us. Tokią kontrolę galima naudoti kubitų superpozicijos pratęsimui kvantiniuose kompiuteriuose, automatiškai stumtelint kolapsuoti besirengiančius kubitus.

Rezultatas nėra idealus, nurodo Howardas Wisemanas iš Griffitho universiteto Brisbane'e, Australijoje, straipsnyje, palydinčiame komandos darbo aprašymą. „Bet lyginant su visiškai nenuspėjamais kelių mikrosekundžių rezultatais, kai grįžtamojo ryšio nebuvo, toks kubitų kaitos stabilizavimas yra didelis žingsnis į priekį, siekiant per grįžtamąjį ryšį kontroliuoti atskirą kubitą.“

Nature, DOI: 10.1038/nature11505

Lisa Grossman
New Scientist, № 2886

Komentarai (0)