Interruptor cuántico estilo Schrödinger

El mundo que nos rodea ha estado trabajando de acuerdo con las leyes de las ciencias naturales desde su inicio. Podemos explicar cualquier fenómeno, prácticamente, basándose en las leyes mismas. Y ahora ya sabemos que los rayos no son la furia de Zeus, el tsunami no es la serpiente de Neptuno, la Tierra no es plana y las tortugas enormes, que sostienen mundos enteros, no existen. Es cierto que algunos representantes particularmente obstinados de nuestra raza todavía creen en las últimas declaraciones. Pero hoy hablaremos de la ciencia, a la que le encanta poner todo patas arriba, de la mecánica cuántica.

Más precisamente, sobre un estudio que demuestra experimentalmente el hecho de que no siempre tenemos un solo estado de algo. Aplicando el conocimiento de la mecánica cuántica, los científicos pudieron lograr un orden causal indeterminado en el interruptor cuántico. De qué se trata y cómo funciona, aprendemos de su informe. Vamos

Base de estudio

La causalidad es un fenómeno muy familiar y comprensible. Sabemos que una determinada acción conduce a un cierto resultado, como regla. Por supuesto, a veces puede haber diferentes formas de desarrollo de eventos, pero siempre se elige una. Entonces, por ejemplo, podemos plantar una semilla en una maceta, y la flor crecerá o no crecerá. No puede hacer las dos cosas. Vale la pena recordar el maravilloso experimento teórico "gato Schrödinger".


Para estudiar el orden causal incierto, se utiliza un marco que determina si alguna situación experimental (en lo sucesivo, el proceso) se refiere a un proceso causal fijo o no. Un ejemplo de un proceso a partir de un orden causal indeterminado es un interruptor cuántico en el que las operaciones de caja negra * se realizan en el sistema de destino, mientras que el interruptor en sí está controlado de manera coherente por un sistema cuántico de control.

Cuadro negro * : en este caso, es una designación de operaciones que aún no se conocen.

Según los científicos, la principal ventaja de un interruptor cuántico es el hecho de que no se puede implementar utilizando un circuito cuántico convencional, que utiliza el mismo número de operaciones de caja negra.

Y ahora la pregunta que surgió de inmediato en la mente de los científicos es: ¿es posible realizar este cambio cuántico en condiciones de laboratorio? El hecho es que, por el momento, la implementación de dicha tecnología no aprovecha el cambio cuántico, ya que se utilizan "cajas negras" adicionales. En tal implementación, el orden se controla por el camino que eligen los fotones, mientras que cada "caja negra" (en este caso, placas de onda) actúa dependiendo de su polarización. Es decir, los fotones pasan a través de placas de onda en dos puntos diferentes en el espacio, dependiendo del orden. Además, hay otra desventaja (más precisamente, la limitación): la longitud de coherencia de los fotones en dicha implementación es mucho más corta que la distancia entre dos placas de onda. Esto significa que las operaciones también pueden diferir en el tiempo, ya que algunas de ellas pueden ejecutarse más rápido controlando las placas de onda.

Los científicos son conscientes de que la implementación anterior está llena de muchas limitaciones. Es por eso que se centraron en un interruptor cuántico que puede superar estas limitaciones.


Imagen # 1: interruptor cuántico.

La imagen №1 muestra los esquemas de operación de un interruptor cuántico, donde el qubit de control es responsable de un cierto orden en el que se ejecutan dos operaciones cuánticas A y B, dirigidas al qubit objetivo | ψ⟩t .

1a - cuando el qubit de control está en el estado | 0⟩ _s , como resultado tenemos una operación de la forma AB;
1b - cuando el qubit de control está en el estado | 1⟩ _s , el resultado es la operación IA;
1 - si el qubit de control está en un estado de superposición cuántica 1 / √2 (| 0⟩ + | 1⟩) _s , el orden de las operaciones también entra en una superposición cuántica. Como resultado, el estado general del sistema de control y destino en la salida es el siguiente:



1d : el qubit objetivo | ψ⟩t está codificado en el grado de libertad de polarización, mientras que | 0⟩ y | 1⟩ son caminos de fotones diferentes a través de las placas de onda. Estos caminos implementan las operaciones A y B. Dado que los fotones pasan a través de las placas de onda en dos puntos diferentes, obtenemos 4 operaciones diferentes: A1, A2 y B1, B2.

Vale la pena señalar que en la implementación del interruptor cuántico, los científicos usaron solo 2 operaciones del tipo "caja negra", cada una de las cuales se usó solo una vez. En el sistema experimental, el qubit de control se codifica en polarización, y el qubit objetivo se codifica en el modo espacial transversal del fotón.

Los investigadores dicen que su interés en el cambio cuántico se origina en el deseo de implementar el ordenamiento causal del tipo cuántico, lo que nadie ha hecho antes.

Dado esto, en este estudio, las relaciones causales se definen como la capacidad de transmitir señales entre eventos . Por eventos nos referimos a las operaciones de cambio, preparación o transformación de un sistema físico. Como ejemplo, los científicos citan un fotón que pasa a través de varias lentes. Este fotón define un evento.

Una estructura causal es una red de posibles relaciones causales entre varios eventos.

Con la terminología "local" resuelta, ahora sobre el proceso. Primero, considere el sistema causal relativista. Si el evento A está en el pasado con respecto al evento B, entonces podemos enviar una señal de A a B. Si los eventos están separados espacialmente (lejos uno del otro en el espacio), entonces no puede haber intercambio de señales.

Aquí vale la pena aclarar qué es la "separación espacial", complementando este concepto con otros asociados con él.

Imagine dos eventos separados: A y B. Si es lo suficientemente rápido, puede ver tanto A como B. Esta es una separación temporal. Si los eventos están tan separados, entonces para poder verlos a ambos, deben moverse a la velocidad de la luz, esto es separación de la luz. Si los eventos A y B están aún más separados, cuando no puede ver que ambos se mueven a la velocidad de la luz, entonces esta es una separación espacial. Esta es una explicación un poco aproximada.

Como vimos en los diagramas anteriores, hay dos operaciones A y B. De hecho, hay tres de ellas, también hay una operación C. Más sobre cada una de ellas.

A y B son operaciones en el sistema objetivo, implementadas a lo largo de los dos brazos del interferómetro. Pero C ya son las medidas del sistema de control, que se realizan después de que tienen lugar los eventos A y B. Los tres eventos deben ser reconocidos por un interruptor cuántico.


El esquema del experimento.

Ahora considere el esquema por el cual se realizó el experimento. Como ya sabemos, el qubit de control está determinado por la polarización, por lo tanto, hay dos separadores de haz de polarización: PBS1 y PBS2 . PBS1 dirige el fotón al evento A o B, que implementa las operaciones correspondientes A y B en el modo espacial del fotón. El evento C está representado por una medición de polarización que describe los parámetros de Stokes * de un fotón. Para garantizar la coincidencia de modo, se utilizaron lentes ( L1 y L2 en el diagrama).

Parámetros de Stokes * : un conjunto de cantidades que describe el vector de polarización de las ondas electromagnéticas.

Se usó como fuente de radiación un rayo láser de 100 kHz con una longitud de onda de 795 nm con un modo transversal de bajo orden (HG ₀₀ ). A continuación, el rayo láser se transformó en el modo HG ₁₀ Hermitiano-Gaussiano al pasar el rayo a través de un elemento que agrega la fase π a la mitad del rayo. El resultado es un modo espacial que es una superposición de modos hermitiano-gaussiano. Además, se utilizó el filtrado de Fourier para eliminar la mayoría de los modos espaciales de alto orden. Por lo tanto, el espacio qubit del sistema objetivo consiste en modos espaciales de primer orden (| 0⟩ = | HG 10⟩; | 1⟩ = | HG 01⟩). Y el valor inicial del qubit objetivo | ψ⟩t es | 0⟩.

Entonces, pasando a través del separador polarizador PBS1, el haz se divide en dos brazos del interferómetro (diagrama de arriba). Aquí, dos operaciones unitarias A y B operan en un modo espacial transversal, aunque en condiciones ideales no deberían cambiar la polarización del haz. Los brazos superior e inferior están conectados en el separador de salida PBS2. El mod resultante se envía de vuelta a PBS1. Las lentes aseguran que el modo coincida, es decir, el modo que vuelve a ingresar al interferómetro debe coincidir con el modo original.


Esquema de implementación de las operaciones A y B.

Los prismas ( R ) rotan el modo transversal entrante. En un momento, las lentes cilíndricas ( C ) conducen a un desplazamiento de fase π / 2 de los componentes hermitiano-gaussianos del fotón entrante. Se requieren lentes esféricas ( L ) para lograr la coincidencia de mod. Los reflejos en los prismas pueden conducir a la distorsión de la polarización. Para compensar estos cambios, se utilizan la media placa de onda ( H ) y el cuarto de placa de onda ( Q ). Y φ es la placa de fase. Para implementar las operaciones necesarias, debe ajustar el ángulo de inclinación θ ₁ y θ ₂ . Por ejemplo, para convertir el haz HG ₁₀ en HG _{01, el} haz debe girarse R (θ ₁ ) 45 grados y el ángulo R (θ ₂ ) establecerse en 0.

En el experimento, los científicos identificaron dos fuentes principales de posibles errores: desajuste de modo y configuración incorrecta de los ángulos de inclinación.

El llamado "testigo causal", un parámetro que demuestra la capacidad de los eventos A y B para corresponder a las operaciones unitarias A y B, actuó como el indicador principal del rendimiento del sistema. Además, se tomaron en cuenta los parámetros de Stokes para determinar este parámetro.

El modelo teórico del sistema, que precede a la implementación práctica, mostró que ⟨S⟩ en condiciones ideales será aproximadamente igual a 0.248. Si simulamos el sistema, teniendo en cuenta sus parámetros reales, entonces -0.20 ≲ ⟨S⟩ ≲ -0.14.

Un experimento práctico mostró un buen resultado: ⟨S⟩ = -0.171 ± 0.009, que se ajusta al rango esperado. Por lo tanto, los científicos concluyeron que su sistema funciona en un orden causal indefinido. La base de este logro, los investigadores llaman polarización, o más bien manipulación con ella, lo que hizo posible implementar el sistema de esta manera.

Para familiarizarse con los detalles del experimento, recomiendo el informe de los científicos, disponible aquí .

Epílogo

Este estudio solo tocó la superficie de algunos aspectos de una ciencia tan compleja e intrincada como la mecánica cuántica. Sin embargo, si continúan trabajando en esta dirección, dicen los científicos, podrán lograr resultados aún más impresionantes que pueden cambiar no solo la tecnología informática, la transferencia de datos, etc., sino también nuestra visión del mundo como un conjunto de leyes de las ciencias naturales que pueden perder su estado ". indestructible ".

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