Tag Archives: kvantna zapletenost

Istraživači su ostvarili kvantno pamćenje u objektima udaljenim više od 50 km

Dok kvantni računari mogu raditi zanimljive stvari bez namjenske memorije, memorija bi pružila veliku fleksibilnost u pogledu vrsta algoritama koje bi mogli pokrenuti i kako kvantni sistemi mogu komunicirati jedni s drugima i s vanjskim svijetom. Izgradnja kvantne memorije je izuzetno izazovna, jer i čitanje i pisanje iz nje moraju biti izuzetno efikasni i precizni, a memorija mora raditi nešto što je netipično za kvantne sisteme: držati svoje stanje za značajno vrijeme.

No ako riješimo probleme, kvantna memorija nudi prilično neobična svojstva. Proces pisanja u kvantnu memoriju vrlo je sličan procesu kvantne teleportacije, što znači da se memorija potencijalno može prenijeti između različitih računarskih sredstava. A budući da je uređaj za pohranu kvantni objekt, postoji mogućnost da se dva qubita memorije na različitim lokacijama mogu ispreplesti, u suštini delokalizirajući vrijednost qubita.


U demonstraciji tog obećanja, kineski su istraživači ugradili kvantnu memoriju u objektima udaljenim više od 20 kilometara. Zasebno su izveli i zapetljavanje s fotonima koji su prešli 50 kilometara optičkog kabla. Ali proces prijenosa i umetanja dolazi s nesretnom nuspojavom: traje toliko dugo da memorija u međuvremenu izgubi koherenciju.

Kvantni grad
Osnovni obrisi eksperimenta poprilično su jasni za postupak koji je pomalo mutan. Ovdje se koriste kubiti mali oblaci hladnih atoma (oko stotinu miliona atoma za svaki). Smješteni su u stanje u kojem se atomi ne razlikuju iz kvantne perspektive i tako se mogu tretirati kao jedan kvantni objekt. Budući da će se kvantno stanje rasporediti istovremeno po svim atomima, to pruža malo veću stabilnost od ostalih oblika kvantne memorije. Stanje atomskog oblaka čita se i piše pomoću fotona, a atomi se postavljaju u optičku šupljinu koja hvata ove fotone. To osigurava da fotoni imaju mnogo mogućnosti za interakciju s atomskim oblakom, povećavajući efikasnost operacija.

Kad se stanje memorije postavi fotonom pisanja, atomski kolektiv emitira drugi foton što ukazuje na uspjeh. Polarizacija ovog fotona sadrži podatke koji se odnose na stanje atoma, pa služi kao sredstvo za zapetljavanje memorije.

Nažalost, taj foton je na talasnoj dužini koja i nije baš korisna jer se teži gubljenju tokom prijenosa. Dakle, istraživači su žrtvovali malo efikasnosti za puno korisnosti. Koristili su uređaj koji pomiče valnu dužinu fotona s bliskog infracrvenog na valnu dužinu koja se koristi u standardnim komunikacijskim vlaknima. Oko 30 posto fotona izgubljeno je, ali preostali se mogu prenijeti s visokom učinkovitošću preko postojećih vlakana (pod uvjetom da se tamo postavi pravi hardver gdje vlakno završi).


Postoje gubici zbog filtriranja buke i uvlačenja fotona u vlakno, ali cijeli je proces efikasan preko 30 posto, za kraj. U ovom slučaju, dva kraja su bila udaljena 11 km, na Kineskom univerzitetu za nauku i tehnologiju i softverskom parku Hefei.

Autori su stvorili dva kbita kvantne memorije, generisali fotone iz oba i poslali te fotone zasebnim kablovima u Software Park. Tamo su fotoni poslani kroz uređaj koji im je onemogućavao razlikovanje, zapetljavanje. Pošto su oni zauzvrat bili isprepleteni s kvantnom memorijom koja ih je proizvela, dva qubita memorije su tada bila isprepletena. Dok su boravili u istom laboratoriju, geometrija vlakana mogla je biti proizvoljna – bila je ekvivalentna isprepletanju dva bita memorije koja su bila udaljena 22 km.

To je veliki korak u odnosu na prethodni rekord od 1,4 km.

Idite dugo
Kako bi malo rastegnuli stvari, istraživači su se tada okrenuli dugom kalem kabelu. Dva fotona poslana su niz kabel i potom manipulirana tako da je bilo nemoguće odrediti koji su put krenuli kablom. To ih je opet zbunjivalo, a time i uspomene koje su u prvi plan emitirale fotone. Proces je zahtijevao da se prati faza dolaznih fotona, što je znatno teže, a samim tim i smanjena je ukupna efikasnost.

Za vlaknastu stazu dugu 50 km, to je dovelo do prilično niske efikasnosti, i to između 10-4. Što znači da se vrijeme za postizanje posrnuća povećalo – u ovom slučaju preko pola sekunde. I to je problem, jer je tipični životni vijek qubita pohranjenog u ovoj memoriji 70 mikrosekundi, što je puno kraće od procesa zamicanja. Dakle, pristup definitivno spada u kategoriju “nije baš spremno za proizvodnju”.

I to je nesretno jer pristup otvara niz vrlo intrigantnih mogućnosti. Jedan je da bi širenje qubita kroz dva objekta ovom delokalizacijom moglo omogućiti da se izvede jedan kvantni proračun na udaljenim objektima – moguće u onima koji koriste različit hardver koji ima različite snage i slabosti. A istraživači napominju da postoji tehnika koja se naziva zamjena zamke koja može još više proširiti udaljenost između memorija-qubita – pod uslovom da se kubiti drže u svom stanju. Ali ako sve to uključi neku količinu pogreške, ta će se greška brzo nagomilati i učiniti čitavu stvar beskorisnom.


Ništa od ovoga ne bi smjelo umanjiti postignuća koja su ovdje prikazana, ali pokazuje koliko još uvijek moramo ići. Neučinkovitost koja se pojavljuje na svakom koraku procesa, svaki predstavlja poseban inženjerski i / ili fizički izazov s kojim se moramo suočiti prije nego što bilo što od toga bude primjenjivo u stvarnom svijetu.

Izvor: Nature

Kvantna “sablasna akcija na daljinu” putuje barem 10,000 puta brže od svjetlosti

Kvantna zapletenost, jedan od aspekata kvantne teorije, povezuje osobine čestica čak i kada su razdvojene velikim rastojanjima. Kada se mjeri osobina jedne od para zapletenih čestica, druga “odmah” se postavi u stanje kompatibilno s tim mjerenjem. Koliko je brzo “odmah”? Prema istraživanju profesora Hua Yin-a i kolega na Univerzitetu za nauku i tehnologiju Kine u Šangaju, donja granica brzine povezane sa dinamikom zapletanja – ili “sablasnom akcijom na daljinu” – je najmanje 10 000 puta brža od svjetlosti.

Uprkos tome što je igrao vitalnu ulogu u razvoju kvantne teorije, Ajnštajn se filozofski osjećao u sukobu s kvantnim opisom kako Univerzum radi. Njegov poznati citat da “Bog ne igra kockice” nagovještava njegov nivo neprijatnosti sa ulogom vjerovatnoće u kvantnoj teoriji. On je vjerovao da postoji još jedan nivo realnosti u kojem bi sva fizika bila deterministična i da bi se kvantna mehanika ispostavila kao opis koji izlazi iz rada tog nivoa – kao što je saobraćajna gužva proizašla iz nezavisnih pokreta velikog broj automobila.


Godine 1935. Ajnštajn i njegovi saradnici otkrili su kvantnu zapletenost koja se skrivala u jednačinama kvantne mehanike i shvatila svoju krajnju nepoznanicu. Ovo je dovelo do paradoksa EPR koju su predstavili Einstein, Poldolsky i Rosen. Paradoks EPR-a je izjavio da su jedini načini objašnjavanja efekata kvantnog zapleta bili pretpostaviti da je Univerzum nelokalan ili da je istina osnova fizike skrivena (inače poznata kao teorija skrivene varijable). Nelokalnost u ovom slučaju znači da su događaji koji se javljaju zapletenim objektima povezani čak i kada se događaji ne mogu komunicirati kroz prostorvrijeme, prostorno vrijeme koje ima brzinu svetlosti kao ograničavajuću brzinu. Nelokalnost je poznata i kao sablasna akcija na daljinu (Einsteinova fraza).

Ajnštajn je kao primarni prorok teorije relativnosti revoltiran pojmom nelokalnosti i stoga je rezultat EPR-a pokazao kao demonstraciju da je kvantna mehanika osnovna deterministička teorija skrivene varijable. Međutim, Einstein nije bio u pravu.

Džon Bel, početkom šezdesetih godina prošlog vijeka, pokazao je da su korelacije između osobina čestica u bilo kojoj lokalnoj teoriji (a ne samo kvantnoj mehanici) bile slabije od korelacija predviđenih kvantnom mehanikom. Drugim riječima, kvantna mehanika je suštinski nelokalna. Bellova nejednakost može biti i bila je temeljno testirana eksperimentalno i eksperimenti pokazuju da je kvantni svijet zaista nelokalan.

Znači li to da je sablasna akcija na daljinu povezana sa preplitanjem stvarno trenutna, ili jednostavno ima veliku brzinu propagacije? To izgleda fer pitanje, a to je izazov koji je pokrenula grupa prof. Yina. U svom eksperimentu, Alice i Bob (zvijezde mnogih kvantnih avantura) su poslati na dvije lokacije odvojene za 15,3 km (9,6 milja). Čarli, koji se nalazio na jednakoj udaljenosti od Alice i Boba, stvorio je par zapletenih fotona, a zatim poslao jedan u Alice i jedan u Bob. Razlika u udaljenosti od kojih su fotoni proputovali između Čarlija i Alisa i između Čarlija i Boba bila je manje od oko 10 cm. Sva tri naša učesnika imaju sinhronizovane, visoko precizne satove. Čarli generiše par zapletenih fotona i bilježi vrijeme.

I Alice i Bob imaju mehanizam za mjerenje polarizacije dolaznih fotona, ali oba mehanizma imaju slučajno rotirajuće polarizacijske filtre, tako da se vremenom mjeri sve polarizacione smjernice i nikada ne postoji korelacija između Alice i Bobovih polarizacionih pravaca. Kada Alice otkrije foton, ona bilježi polarizaciju i vrijeme mjerenja. Kada Bob mjeri foton, on takođe bilježi polarizaciju i vrijeme dolaska.

Kasnije se trojica sastaju da upoređuju bilješke. Alice i Bobova mjerenja su napravljena istovremeno, na oko 0,35 nanosekundi, a odluka o tome na koji način će se usmjeriti polarizacijski pravac njihovih uređaja, odlučeno je oko 3 mikrosekunde prije nego što su fotoni stigli do detektora. Ako su Alice i Bob uvijek izmjerili isti polarizacijski pravac, uticaj zaplitanja je kretao 15,3 km manje od moguće razlike u vremenu mjerenja (0.35 ns). Ako je, s druge strane, uticaj zaplitanja putovao sporije, Alice i Bob bi mjerili slučajno različite smjerove polarizacije.

Yin-ov eksperiment, koji je bio malo komplikovaniji detaljnije od gore pomenutog pojednostavljenja, nije posmatrao nikakvu razliku u smjeru polarizacije. Vrijeme za koje bi trebalo da putuje između Alice i Boba je oko 50 μs, dok je dejstvo dinamike zaplitanja moralo biti manje od 0,35 ns. Minimalna brzina uticaja na uznemiravanje je samo ona koja je podjeljena sa drugom, ili 144.500 puta brzine svjetlosti. Ipak, brojni faktori prelaze u tumačenje rezultata, što smanjuje donju granicu brzine uticaja zapletenosti na oko 10,000 puta veću od brzinu svjetlosti.


Obratite pažnju da ovaj rezultat ne eliminiše mogućnost da je uticaj zaplitanja zapravo trenutan – on samo postavlja ograničenje govoreći koliko uticaj mora najmanje biti brz. Druga mogućnost je da dinamika zaplitanja može djelovati spoljno od vremena, ili bar može ignorisati vrijeme dok ignoriše rastojanje.

Niels Bohr, jednom je rekao da oni koji nisu šokirani kada prvi put nailaze na kvantnu teoriju ne mogu ju shvatiti. Osamdeset godina kasnije, ovo je još uvijek istina. Mi nemamo puno mogućnosti da kažemo kako svijet može raditi na ovaj način.

Izvor: Oduženje brzine `spooky akcije na daljinu ‘- arXiv.org (PDF)