חקר טריטוריה לא ידועה: פיזיקאים חושפים אינסוף אפשרויות של מדינות קוונטיות

שיטה חדשה שפותחה על ידי חוקרי אמסטרדם משתמשת במדינות שאינן גאוסיות כדי לתאר ולהגדיר ביעילות מערכות ספין-בוזון קוונטיות, מה שמבטיח התקדמות בתחום מחשוב קוונטי וחישה.

מכשירים קוונטיים מודרניים רבים פועלים באמצעות קבוצות של קיוביטים, או ספינים, שיש להם רק שני מצבי אנרגיה: '0' ו-'1'. עם זאת, במכשירים ממשיים, ספינים אלה מקיימים אינטראקציה עם פוטונים ופונונים, הידועים ביחד בשם בוזונים, מה שהופך את החישובים להרבה יותר מורכבים. במחקר שפורסם לאחרונה ב מכתבי סקירה פיזית, חוקרים מאמסטרדם פיתחו שיטה לתיאור יעיל של מערכות ספין-בוזון אלו. פריצת דרך זו יכולה לסייע בהגדרה יעילה של מכשירים קוונטיים להשגת מצבים ספציפיים רצויים.

התקנים קוונטיים משתמשים בהתנהגות המוזרה של חלקיקים קוונטיים כדי לבצע משימות שחורגות ממה שמכונות 'קלאסיות' יכולות לעשות, כולל מחשוב קוונטי, סימולציה, חישה, תקשורת ומטרולוגיה. מכשירים אלה יכולים ללבוש צורות רבות, כגון אוסף של מעגלים מוליכים-על, או סריג של אטומים או יונים המוחזקים במקומם על ידי לייזרים או שדות חשמליים.

ללא קשר למימוש הפיזי שלהם, התקנים קוונטיים מתוארים בדרך כלל במונחים פשוטים כאוסף של סיביות קוונטיות דו-מפלסיות או ספינים באינטראקציה. עם זאת, ספינים אלה מקיימים אינטראקציה עם דברים אחרים בסביבתם, כגון אור במעגלים מוליכים או תנודות בסריג של אטומים או יונים. חלקיקי אור (פוטונים) ואופני רטט של סריג (פונונים) הם דוגמאות לבוזונים.

תיאורים חדשניים של מדינות קוונטיות

בניגוד לספינים, שיש להם רק שתי רמות אנרגיה אפשריות ('0' או '1'), מספר הרמות עבור כל בוזון הוא אינסופי. כתוצאה מכך, ישנם מעט מאוד כלים חישוביים לתיאור ספינים בצמוד לבוזונים. בעבודתם החדשה, הפיזיקאים ליאם בונד, ארג'וואן סאפאווי-נאיני וג'יז'י מינאר מאוניברסיטת אמסטרדם, QuSoft ו-Centrum Wiskunde & Informatica עוסקים סביב מגבלה זו על ידי תיאור מערכות המורכבות מספינים ובוזונים באמצעות מה שנקרא מדינות לא גאוסיות. . כל מדינה לא גאוסית היא שילוב (סופרפוזיציה) של מצבים גאוסים פשוטים הרבה יותר.

כל דפוס כחול-אדום בתמונה למעלה מייצג מצב קוונטי אפשרי של מערכת הספין-בוזון. "מדינה גאוסית תיראה כמו עיגול אדום רגיל, בלי שום דפוסים כחולים-אדומים מעניינים", מסביר המועמד לדוקטורט ליאם בונד. דוגמה למצב גאוס הוא אור לייזר, שבו כל גלי האור מסונכרנים בצורה מושלמת. "אם ניקח רבים מהמצבים הגאוסיים האלה ונתחיל לחפוף אותם (כך שהם נמצאים בסופרפוזיציה), הדפוסים המורכבים והיפהפיים האלה מופיעים. התרגשנו במיוחד מכיוון שהמצבים הלא-גאוסיים הללו מאפשרים לנו לשמור על הרבה מהמנגנון המתמטי העוצמתי שקיים עבור מצבים גאוסים, תוך שהם מאפשרים לנו לתאר קבוצה הרבה יותר מגוונת של מצבים קוונטיים."

בונד ממשיך: "יש כל כך הרבה דפוסים אפשריים שמחשבים קלאסיים מתקשים לעתים קרובות לחשב ולעבד אותם. במקום זאת, בפרסום זה אנו משתמשים בשיטה המזהה את הדפוסים החשובים ביותר ומתעלמים מהאחרים. זה מאפשר לנו ללמוד את המערכות הקוונטיות הללו, ולתכנן דרכים חדשות להכנת מצבים קוונטיים מעניינים."

ניתן לנצל את הגישה החדשה כדי להכין ביעילות מצבים קוונטיים באופן שעולה על פרוטוקולים אחרים בשימוש מסורתי. "הכנה מהירה של מצב קוונטי עשויה להיות שימושית עבור מגוון רחב של יישומים, כגון הדמיית קוונטים או אפילו תיקון שגיאות קוונטי", מציין בונד. החוקרים גם מדגימים שהם יכולים להשתמש במצבים שאינם גאוסים כדי להכין מצבים קוונטיים 'קריטיים' התואמים למערכת שעוברת מעבר פאזה. בנוסף לעניין הבסיסי, מצבים כאלה יכולים לשפר מאוד את הרגישות של חיישנים קוונטיים.

תוצאות אלו אמנם מעודדות מאוד, אך הן רק צעד ראשון לעבר יעדים שאפתניים יותר. עד כה, השיטה הוכחה לסיבוב בודד. הרחבה טבעית אך מאתגרת היא לכלול ספינים רבים והרבה מצבים בוזוניים בו זמנית. כיוון מקביל הוא לקחת בחשבון את ההשפעות של הסביבה המפריעות למערכות הספין-בוזון. שתי הגישות הללו נמצאות בפיתוח פעיל.