„Superatomii giganți” ar putea fi cheia pentru a transforma, în sfârșit, calculatoarele cuantice puternice și fiabile în realitate.
Cercetătorii de la Universitatea de Tehnologie Chalmers din Suedia au introdus un nou design teoretic pentru sistemele cuantice, bazat pe ceea ce ei numesc „superatomi giganți”. Acest concept oferă o modalitate nouă de a proteja, controla și partaja informațiile cuantice, apropiind potențial oamenii de știință de construirea de calculatoare cuantice la scară largă.
Se așteaptă ca calculatoarele cuantice să transforme domenii precum descoperirea de medicamente și criptarea, rezolvând probleme care sunt cu mult dincolo de posibilitățile mașinilor convenționale. Cu toate acestea, progresul a fost limitat de o problemă majoră cunoscută sub numele de decoerență. Aceasta apare atunci când biții cuantici, sau qubiții, își pierd informațiile din cauza interacțiunilor cu mediul înconjurător. Chiar și cantități mici de zgomot electromagnetic pot perturba stările cuantice fragile necesare pentru calcul.
„Sistemele cuantice sunt extraordinar de puternice, dar și extrem de fragile. Cheia pentru a le face utile este să învățăm cum să controlăm interacțiunea lor cu mediul înconjurător”, spune Lei Du, cercetător postdoctoral în tehnologie cuantică aplicată la Chalmers.
Lei Du este autorul principal al unui studiu care prezintă acest nou tip de sistem cuantic. Designul este construit în jurul superatomilor giganți, care combină mai multe caracteristici importante. Aceste sisteme reduc decoerența, rămân stabile și sunt alcătuite din mai mulți „atomi” interconectați care funcționează împreună ca o singură unitate.
Ce sunt Superatomii Giganți?
Superatomii giganți reunesc două idei separate anterior în fizica cuantică: atomii giganți și superatomii. În timp ce fiecare a fost studiat individual, aceasta este prima dată când sunt fuzionați într-un singur sistem. Aceste structuri se comportă ca atomii, dar nu se găsesc în natură. În schimb, sunt proiectate de oameni de știință (vezi caseta de informații de mai jos).
Atomii Giganți și „Ecoul lor Cuantic”
Ideea atomilor giganți a fost introdusă pentru prima dată de cercetătorii de la Chalmers în urmă cu mai bine de un deceniu și este acum utilizată pe scară largă în domeniu. Un atom gigant este de obicei proiectat ca un qubit (care este cea mai mică unitate de informație cuantică). Spre deosebire de atomii obișnuiți, acesta se conectează la unde de lumină sau sunet în mai multe puncte separate fizic. Acest lucru îi permite să interacționeze cu mediul său în mai multe locuri simultan, ajutându-l să păstreze informațiile cuantice.
„Undele care părăsesc un punct de conectare pot călători prin mediu și se pot întoarce pentru a afecta atomul într-un alt punct - similar cu auzirea unui ecou al propriei voci înainte de a termina de vorbit. Această auto-interacțiune duce la efecte cuantice extrem de benefice, reduce decoerența și oferă sistemului o formă de memorie a interacțiunilor trecute”, explică Anton Frisk Kockum, profesor asociat de fizică cuantică aplicată la Chalmers și coautor al studiului.
Extinderea Entanglementului pe Distanțe
Deși atomii giganți au îmbunătățit înțelegerea comportamentului cuantic, au avut limitări în ceea ce privește entanglementul. Entanglementul permite mai multor qubiți să partajeze o singură stare cuantică și să acționeze ca un singur sistem coordonat, ceea ce este esențial pentru calculatoarele cuantice puternice. Pentru a depăși această limitare, echipa de cercetare a combinat atomii giganți cu conceptul de superatomi.
Un superatom este format din mai mulți atomi naturali care partajează aceeași stare cuantică și se comportă colectiv ca un singur atom mai mare. Se așteaptă ca această combinație să faciliteze crearea stărilor cuantice complexe necesare pentru comunicarea cuantică, rețele și sisteme de măsurare extrem de sensibile.
„Un superatom gigant poate fi imaginat ca mai mulți atomi giganți care lucrează împreună ca o singură entitate, prezentând o interacțiune non-locală între lumină și materie. Acest lucru permite stocarea și controlul informațiilor cuantice de la mai mulți qubiți într-o singură unitate, fără a fi nevoie de circuite periferice din ce în ce mai complexe”, explică Lei Du.
„Superatomii giganți deschid ușa către capacități complet noi, oferindu-ne o nouă trusă de instrumente puternică. Ne permit să controlăm informațiile cuantice și să creăm entanglement în moduri care anterior erau extrem de dificile, sau chiar imposibile”, spune Janine Splettstoesser, profesor de fizică cuantică aplicată la Chalmers și coautor al studiului.
Către Sisteme Cuantice Scalabile și Practice
Această lucrare creează noi posibilități pentru construirea de sisteme cuantice care sunt atât scalabile, cât și fiabile. Cercetătorii intenționează să treacă de la teorie la construirea efectivă a acestor sisteme. Designul lor ar putea fi, de asemenea, integrat cu alte tehnologii cuantice, servind ca o piatră de temelie pentru conectarea diferitelor tipuri de platforme cuantice.
„Există în prezent un interes puternic pentru abordările hibride, în care diferite sisteme cuantice lucrează împreună, deoarece fiecare are propriile puncte forte”, spune Anton Frisk Kockum. „Cercetările noastre arată că un design inteligent poate reduce nevoia de hardware din ce în ce mai complex, iar superatomii giganți ne apropie cu un pas mai mult de tehnologia cuantică aplicabilă practic.”
Controlul Fluxului de Informații Cuantice
Mai multe despre: Metode pentru protejarea, controlul și distribuirea informațiilor cuantice
Studiul arată că modul în care superatomii giganți interacționează cu lumina depinde de stările lor cuantice interne. Această descoperire oferă cercetătorilor un control mai mare asupra modului în care informațiile cuantice se deplasează printr-un sistem. Ei descriu două moduri diferite de conectare a acestor structuri pentru a obține rezultate utile.
Într-o configurație, mai mulți superatomi giganți sunt strâns legați într-un aranjament specific. Acest lucru le permite să treacă stări cuantice unul altuia fără decoerență, ceea ce înseamnă că nu se pierde nicio informație. Într-o altă configurație, atomii sunt spațiați mai departe, dar sunt conectați într-un mod atent reglat, astfel încât undele să rămână sincronizate. Acest lucru face posibilă direcționarea semnalelor cuantice și distribuirea entanglementului pe distanțe lungi.
Înțelegerea Atomilor Giganți și a Superatomilor
Superatomii și atomii giganți sunt sisteme proiectate care se comportă ca atomii, mai degrabă decât cei care apar în mod natural. Un superatom este un sistem cuantic format din mai mulți atomi naturali care partajează o singură stare cuantică și răspund la lumină ca o singură entitate. Un atom gigant, pe de altă parte, se conectează la unde de lumină sau sunet în mai multe puncte separate în spațiu. Este numit „gigant” deoarece este mai mare decât lungimea de undă a luminii cu care interacționează. Atomii giganți au niveluri de energie definite și respectă regulile mecanicii cuantice, totuși pot atinge dimensiuni de până la milimetri, făcându-i vizibili cu ochiul liber. Prin unde electromagnetice sau acustice, ei pot interacționa cu mediul înconjurător în mai multe locații în același timp. O modalitate de a-ți imagina acest lucru este ca un singur atom legat de o undă în mai multe puncte îndepărtate. Această configurație neobișnuită permite atomului să fie influențat de undele pe care le produce.