99% точности: Ученые из USC создали первый в мире квантовый фильтр для сохранения запутанности
Ученые из Университета Южной Калифорнии (USC) совершили значительный прорыв. Они разработали первый в истории квантовый фильтр. Это устройство сохраняет квантовую запутанность с невероятной точностью в 99%. Новая техника, основанная на новых физических принципах, предлагает надежный и масштабируемый контроль над квантовой информацией. Это открывает путь к более стабильным квантовым вычислениям.
Хрупкость квантового мира
Квантовые компьютеры обещают произвести революцию во многих областях: от медицины до материаловедения. Однако их создание сталкивается с серьезной проблемой. Квантовые состояния, на которых они работают, чрезвычайно хрупки. Одно из ключевых явлений для квантовых технологий — это квантовая запутанность**. Это уникальная связь между двумя или более частицами. Их состояния остаются скоррелированными, даже если частицы находятся далеко друг от друга. Альберт Эйнштейн называл это “жутким дальнодействием”.
Но эта ценная связь очень легко разрушается. Любое взаимодействие с окружающей средой, даже самое незначительное, может привести к потере запутанности. Этот процесс называется декогеренцией или “шумом”. Шум — главный враг квантовых вычислений. Он вносит ошибки и мешает стабильной работе.
Новый подход: Квантовый фильтр
До сих пор основным методом борьбы с ошибками была квантовая коррекция ошибок. Этот подход похож на системы коррекции в обычных компьютерах. Но он требует огромного количества дополнительных квантовых битов (кубитов). Это сильно усложняет создание больших квантовых компьютеров.
Исследователи из Инженерной школы Витерби и Школы передовых вычислений USC пошли другим путем. Они разработали квантовый фильтр, использующий “инженерию диссипации”. Вместо того чтобы активно исправлять ошибки после их возникновения, фильтр предотвращает их закрепление. Он мягко “подталкивает” систему обратно к нужному запутанному состоянию. При этом сам фильтр не разрушает хрупкую квантовую информацию.
Принцип работы фильтра
Команда работала со сверхпроводящими кубитами — одним из самых перспективных типов кубитов сегодня. Они использовали так называемые трансмоны. С помощью точно настроенных микроволновых импульсов ученые создали особую среду вокруг кубитов.
Эта среда действует избирательно. Она активно взаимодействует с нежелательными, ошибочными состояниями системы. Например, если два кубита должны быть в запутанном состоянии Белла (|00⟩ + |11⟩)/√2, а система случайно переходит в состояние |01⟩ или |10⟩, фильтр это обнаруживает. Затем он забирает энергию, связанную с ошибкой, и рассеивает ее. Это возвращает систему в целевое, правильно запутанное состояние. Важно, что сам процесс фильтрации не вносит дополнительного шума. Сохраняется именно нужная **квантовая запутанность**.
Впечатляющая точность
Эксперименты показали, что фильтр работает с точностью 99%. Это означает, что в 99% случаев ему удается сохранить желаемое запутанное состояние, удаляя при этом шум. Такой высокий показатель верности (fidelity) — значительное достижение для квантовых систем.
Значение для будущего квантовых технологий
Эта разработка открывает новые возможности. Она предлагает эффективный и потенциально менее ресурсоемкий способ защиты квантовой информации. В отличие от сложной коррекции ошибок, этот метод может быть проще масштабировать. Надежный контроль над **квантовой запутанностью** — это ключ к созданию мощных и отказоустойчивых квантовых компьютеров. Такой фильтр может стать важным компонентом будущих квантовых процессоров. Он приближает нас к эре, когда квантовые вычисления смогут решать задачи, недоступные сегодняшним суперкомпьютерам.