Эксперимент трансформировал ранее теоретические объекты в программируемый ресурс для квантовых вычислений и ультрачувствительных сенсоров
Наука и космос002 авг 23:58
Физики из Оксфорда впервые экспериментально создали произвольные суперпозиции неклассических состояний квантового гармонического осциллятора — от «сжатых» (squeezed) до «трисжатых» (trisqueezed) и «квадросжатых» (quadsqueezed).
Ранее такие комбинации были известны только теоретически, а их практические реализации ограничивались «котами Шрёдингера» из когерентных волновых пакетов. Теперь же на одном ионе стронция-88 в ловушке Пауля удалось получить суперпозиции, где в качестве компонентов выступают состояния с перераспределённой квантовой неопределённостью, и — что особенно важно — с полным контролем над относительными весами, фазами и пространственным разнесением этих компонентов.
Ключевым элементом стала гибридная схема: внутренние электронные уровни иона функционируют как кубит (точнее, кутрит с использованием вспомогательного состояния), в то время как механические колебания иона выступают в роли квантового гармонического осциллятора, способного занимать множество энергетических уровней. Спин-зависимые нелинейные взаимодействия различных порядков (k=2 для сжатия, k=3 для трисжатия, k=4 для квадросжатия) переплетали движение иона с его спиновым состоянием. Затем промежуточное измерение спина проецировало осциллятор в нужную суперпозицию — например, чётную или нечётную комбинацию сжатых пакетов. Добавив спин-зависимое смещение, авторы разнесли эти пакеты в фазовом пространстве, получая аналоги «кота», но составленного не из когерентных, а из исключительно неклассических блоков. Изменяя тип взаимодействия, можно было объединить в одной суперпозиции сжатую и трисжатую составляющие с независимо заданными параметрами.
Физики создали карту состояния в фазовом пространстве и обнаружили на ней чёткий интерференционный узор с провалами, уходящими в отрицательную область. В классической физике вероятность не может быть отрицательной, а здесь это прямое свидетельство того, что получена не просто совокупность вероятностей, а полноценная квантовая суперпозиция — её нельзя собрать никакой смесью обычных состояний.
Совпадение с численной моделью, учитывающей реальный паразитный нагрев и начальную температуру осциллятора, превысило 90%. А главное — мера неклассичности (логарифмическая негативность Вигнера) у новых суперпозиций оказалась выше, чем у фоковских состояний или традиционных «котов Шрёдингера» при том же уровне колебательной энергии.
Это на практике означает, что полученный объект сложнее обсчитывать на классическом компьютере, а для квантовых вычислений он представляет собой более мощный ресурс.
Практическое значение не ограничивается лишь рекордом. Разработанная методика универсальна и может быть применена к любым системам со связью «спин–осциллятор»: сверхпроводящие цепи, атомы в оптических резонаторах, наночастицы в ловушках. Это переводит сложные неклассические состояния из области математических упражнений в разряд инструментов для квантовой инженерии. Такие суперпозиции востребованы в вычислениях с непрерывными переменными, в протоколах коррекции ошибок, устойчивых к потерям, и в квантовой метрологии, где перенаправленный квантовый шум позволяет обходить стандартные пределы чувствительности. Авторы уже работают с теоретиками над количественной оценкой «квантовости» созданных состояний, но уже сейчас отмечают, что семейство практически доступных суперпозиций только начинает расширяться.
Darth SaharaИсточники:Physical Review XНаука и космос0Квантовые вычисленияКвантовая физикаКубитыСуперпозиция02 авг 23:58
Источник