Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις Urbana-Champaign και το Πανεπιστήμιο του Σικάγο ανέπτυξαν μια νέα τεχνική που επιτρέπει τη δημιουργία κβαντικής διεμπλοκής χωρίς να απαιτείται η μεταφορά κβαντικών σωματιδίων μεταξύ διαφορετικών σημείων. Η προσέγγιση θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για πιο αξιόπιστα και ανθεκτικά κβαντικά δίκτυα και υπολογιστές.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review X.
Κβαντική διεμπλοκή: Από πρόβλημα σε πλεονέκτημα
Στα κβαντικά συστήματα, η διαρροή ενέργειας και πληροφορίας προς το περιβάλλον θεωρείται συνήθως ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια, καθώς καταστρέφει τις εύθραυστες κβαντικές καταστάσεις.
Ωστόσο, οι ερευνητές απέδειξαν ότι αυτή η αναπόφευκτη «διαρροή» μπορεί να αξιοποιηθεί δημιουργικά, ώστε να παράγει κβαντική εμπλοκή – το βασικό φαινόμενο πάνω στο οποίο στηρίζονται οι κβαντικές τεχνολογίες για να εκτελούν υπολογισμούς που δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν από συμβατικούς υπολογιστές.
Μόνιμη κβαντική διεμπλοκή
Η ερευνητική ομάδα υλοποίησε πειραματικά μια θεωρητική πρόβλεψη σύμφωνα με την οποία ένα εξωτερικά διεγερμένο κβαντικό σύστημα μπορεί να αποκτήσει εμπλοκή μέσω της ίδιας της διαδικασίας διάχυσης ενέργειας.
Για να το πετύχουν, ανέπτυξαν μια νέα τεχνική που ονομάζεται synthetic squeezing, εφαρμόζοντάς την σε δύο υπεραγώγιμα qubits.
Το σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι ότι η εμπλοκή που δημιουργείται βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση, γεγονός που σημαίνει ότι μπορεί θεωρητικά να διατηρείται επ’ αόριστον, ακόμη και μεταξύ συστημάτων που βρίσκονται σε πολύ μεγάλες αποστάσεις.
Χωρίς τη δύσκολη μεταφορά των qubits
Μέχρι σήμερα, η δημιουργία κβαντικής εμπλοκής βασιζόταν στην προετοιμασία δύο σωματιδίων στο ίδιο σημείο και στη συνέχεια στη μεταφορά τους σε διαφορετικές τοποθεσίες.
Κατά τη μεταφορά, όμως, ο θόρυβος του περιβάλλοντος προκαλεί αποσυνοχή (decoherence), αλλοιώνοντας ή καταστρέφοντας την εμπλοκή.
Η νέα προσέγγιση παρακάμπτει πλήρως αυτό το στάδιο. Τα qubits δε χρειάζεται να μετακινηθούν – αρκεί να μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω ενός κατάλληλα σχεδιασμένου συστήματος.
Η αρχή της «καταρράκωσης»
Η μέθοδος βασίζεται σε μια θεωρητική αρχή γνωστή ως cascading (καταρράκωση).
Σε αυτήν, τα qubits απορροφούν και εκπέμπουν συνεχώς φωτόνια, ενώ μέρος της ακτινοβολίας διαχέεται στο περιβάλλον. Με την κατάλληλη εξισορρόπηση της εξερχόμενης και της εισερχόμενης ακτινοβολίας, το σύστημα οδηγείται φυσικά σε μια σταθερή κατάσταση, στην οποία τα qubits παραμένουν κβαντικά εμπλεγμένα.
Οι ερευνητές παρομοιάζουν τη διαδικασία με ένα ψυγείο: όπως αυτό απομακρύνει τη θερμότητα για να διατηρεί το εσωτερικό του κρύο, έτσι και το νέο σύστημα απομακρύνει τις εξωτερικές επιδράσεις που καταστρέφουν την εμπλοκή.
Η τεχνική «synthetic squeezing»
Παρότι αντίστοιχα συστήματα είχαν υλοποιηθεί και στο παρελθόν, η ποιότητα της παραγόμενης εμπλοκής ήταν περιορισμένη λόγω θορύβου και ατελειών του εξοπλισμού.
Η νέα τεχνική synthetic squeezing επιτρέπει στους ερευνητές να προσαρμόζουν τις πειραματικές παραμέτρους έτσι ώστε οι ατέλειες αυτές να αντισταθμίζονται, προσεγγίζοντας τις ιδανικές θεωρητικές συνθήκες.
Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται σημαντικά υψηλότερη ποιότητα κβαντικής εμπλοκής.
Το επόμενο βήμα
Μετά την επιτυχημένη επίδειξη της μεθόδου σε σύστημα δύο qubits, οι ερευνητές εργάζονται ήδη στην επέκτασή της σε μεγαλύτερα κβαντικά συστήματα.
Ένας από τους βασικούς στόχους είναι η ανάπτυξη πρωτοκόλλων «απόσταξης εμπλοκής» (entanglement distillation), μέσω των οποίων πολλά qubits με μέτρια εμπλοκή θα μπορούν να συνδυάζονται ώστε να δημιουργούνται λιγότερα qubits με πολύ ισχυρότερη εμπλοκή.
Αν η τεχνική εξελιχθεί επιτυχώς, θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για τη διασύνδεση μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών χωρίς να απαιτείται η απευθείας μεταφορά ευαίσθητης κβαντικής πληροφορίας μέσα από θορυβώδη κανάλια επικοινωνίας.
