Η κβαντική διεμπλοκή αποτελεί τη βάση για τις μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες, όπως η ασφαλής επικοινωνία, το κβαντικό cloud computing και η κατανεμημένη ανίχνευση. Ωστόσο, η διεμπλοκή είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη, καθώς ο θόρυβος από το περιβάλλον υποβαθμίζει τις καταστάσεις διεμπλοκής με την πάροδο του χρόνου, αφήνοντας τους επιστήμονες να αναζητούν τρόπους βελτίωσης της πιστότητας αυτών των καταστάσεων.
Τώρα, ερευνητές από το Pritzker School of Molecular Engineering του Πανεπιστημίου του Σικάγο, το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Urbana-Champaign και τη Microsoft, απέδειξαν ότι είναι θεμελιωδώς αδύνατον να σχεδιαστεί ένα ενιαίο πρωτόκολλο που να εξαλείφει τον θόρυβο σε όλες τις περιπτώσεις.
«Στην κβαντική πληροφορία, συχνά ελπίζουμε σε ένα πρωτόκολλο που να λειτουργεί σε όλα τα σενάρια – ένα είδος πανάκειας», δήλωσε ο επίκουρος καθηγητής Tian Zhong, κύριος συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters. «Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι όταν πρόκειται για τον καθαρισμό της διεμπλοκής, αυτό είναι απλώς πολύ καλό για να είναι αληθινό».
Αναζήτηση λύσεων
Για την αντιμετώπιση της υποβάθμισης των καταστάσεων διεμπλοκής λόγω θορύβου, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πρωτόκολλα καθαρισμού διεμπλοκής (Entanglement Purification Protocols – EPPs), τα οποία συνδυάζουν πολλαπλά ατελή ζεύγη διεμπλοκής για να εξάγουν λιγότερα αλλά πιο καθαρά ζεύγη. Ωστόσο, η ερευνητική ομάδα γνώριζε ότι ορισμένα συστήματα είναι δύσκολο να απαλλαγούν από τον θόρυβο, καθώς οι καταστάσεις διεμπλοκής ποικίλλουν ανάλογα με τον τρόπο και τον χρόνο δημιουργίας, αποθήκευσης και επεξεργασίας τους.
Ο μεταπτυχιακός φοιτητής Allen Zang από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο και ο Xinan Chen από το UIUC είναι οι κύριοι συγγραφείς της μελέτης.
«Γνωρίζαμε ότι τα υπάρχοντα πρωτόκολλα που δεν εξαρτώνται από τις εισόδους δεν εγγυώνται βελτίωση της πιστότητας των καταστάσεων διεμπλοκής», δήλωσε ο Zang. «Αναρωτηθήκαμε αν υπήρχε κάποιο πρωτόκολλο που θα μπορούσε πάντα να εγγυάται βελτίωση, μια ιδιότητα που αποκαλούμε καθολικότητα», πρόσθεσε ο Chen.
Τα θεμελιώδη όρια και οι επιπτώσεις
Οι ερευνητές ξεκίνησαν εξετάζοντας αυτήν την πιθανότητα σε ένα σύνολο ευρέως χρησιμοποιούμενων πρωτοκόλλων καθαρισμού, εφαρμόζοντάς τα σε γνωστές κβαντικές λειτουργίες. Παρά τις προσπάθειες, η «καθολικότητα» απέτυχε να επιβεβαιωθεί. Έκπληκτοι από το αποτέλεσμα, διεύρυναν την ανάλυση σε όλες τις μαθηματικά πιθανές μεθόδους καθαρισμού που επιτρέπονται βάσει των νόμων της κβαντικής μηχανικής.
Το αποτέλεσμα παρέμεινε: κανένα καθολικό πρωτόκολλο καθαρισμού δεν μπορεί να εγγυηθεί τη βελτίωση της πιστότητας σε όλα τα κβαντικά συστήματα.
«Δεν λέμε ότι τα πρωτόκολλα καθαρισμού δεν λειτουργούν», δήλωσε ο Eric Chitambar, αναπληρωτής καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο UIUC. «Απλώς κανένα μεμονωμένο πρωτόκολλο δεν λειτουργεί σε όλες τις περιπτώσεις».
Η επόμενη ημέρα στην κβαντική επικοινωνία
Το έργο αυτό έχει σημαντικές επιπτώσεις στον σχεδιασμό δικτύων κβαντικής επικοινωνίας, όπου οι καταστάσεις διεμπλοκής πρέπει να δημιουργούνται, να αποθηκεύονται και να μεταδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις. Η τυφλή εφαρμογή ενός πρωτοκόλλου καθαρισμού, χωρίς τη γνώση της κατάστασης του συστήματος, μπορεί να αποτύχει.
Οι συγγραφείς της μελέτης επισημαίνουν ότι τα ευρήματα αυτά προσφέρουν καθοδήγηση: αντί να αναζητείται μια καθολική λύση, οι ερευνητές θα πρέπει να επικεντρωθούν στην προσαρμογή των στρατηγικών διαχείρισης σφαλμάτων στα συγκεκριμένα συστήματα και τα μοντέλα σφαλμάτων που έχουν μπροστά τους.
Ο Martin Suchara, διευθυντής διαχείρισης προϊόντων στη Microsoft, σχολίασε:
«Αυτό το αποτέλεσμα μας λέει να μην σπαταλούμε χρόνο αναζητώντας ένα πρωτόκολλο που δεν υπάρχει και να δώσουμε έμφαση στην κατανόηση των μοναδικών χαρακτηριστικών των συγκεκριμένων κβαντικών συστημάτων».
Η ερευνητική ομάδα εξετάζει πλέον αν αυτά τα θεωρητικά όρια μπορούν να εφαρμοστούν και σε άλλους κβαντικούς πόρους και αν μπορούν να αναπτυχθούν εξατομικευμένες μέθοδοι καθαρισμού για συστήματα με καλά κατανοητά σφάλματα ή αν υπάρχει δυνατότητα για μια σχεδόν καθολική μέθοδο υπό αυστηρότερους περιορισμούς.