Commutateur quantique de style Schrödinger

Le monde qui nous entoure travaille selon les lois des sciences naturelles depuis sa création. On peut expliquer n'importe quel phénomène, pratiquement, en s'appuyant sur les lois mêmes. Et maintenant, nous savons déjà que la foudre n'est pas la rage de Zeus, le tsunami n'est pas le serpent de Neptune, la Terre n'est pas plate et il n'y a pas d'énormes tortues contenant des mondes entiers. Certes, certains représentants particulièrement tenaces de notre race croient encore aux dernières déclarations. Mais aujourd'hui, nous parlerons de la science, qui aime tout bouleverser, de la mécanique quantique.

Plus précisément, à propos d'une étude qui démontre expérimentalement le fait que nous n'avons pas toujours un seul état de quelque chose. En appliquant les connaissances de la mécanique quantique, les scientifiques ont pu atteindre un ordre causal indéterminé dans le commutateur quantique. Ce que c'est et comment cela fonctionne, nous apprenons de leur rapport. Allons-y.

Base d'étude

La causalité est un phénomène très familier et compréhensible. Nous savons qu'une certaine action conduit en général à un certain résultat. Bien sûr, il peut parfois y avoir différentes façons de développer des événements, mais toujours une est choisie. Ainsi, par exemple, nous pouvons planter une graine dans un pot, et la fleur poussera ou non. Il ne peut pas faire les deux. Il convient de rappeler la merveilleuse expérience théorique "Chat Schrödinger".


Pour étudier l'ordre causal incertain, un cadre est utilisé qui détermine si une situation expérimentale (ci-après dénommée le processus) se réfère ou non à un processus causal fixe. Un exemple de processus d'un ordre causal indéterminé est un commutateur quantique dans lequel des opérations de boîte noire * sont effectuées sur le système cible, tandis que le commutateur lui-même est contrôlé de manière cohérente par un système quantique de contrôle.

Boîte noire * - dans ce cas, il s'agit d'une désignation d'opérations qui ne sont pas encore connues.

Selon les scientifiques, le principal avantage d'un commutateur quantique est le fait qu'il ne peut pas être mis en œuvre à l'aide d'un circuit quantique conventionnel, qui utilise le même nombre d'opérations de boîte noire.

Et maintenant, la question qui s'est immédiatement posée dans l'esprit des scientifiques est: est-il possible de réaliser cet interrupteur quantique dans des conditions de laboratoire? Le fait est qu'à l'heure actuelle, la mise en œuvre d'une telle technologie ne profite pas du commutateur quantique, car des «boîtes noires» supplémentaires sont utilisées. Dans une telle implémentation, l'ordre est contrôlé par le chemin choisi par les photons, tandis que chaque «boîte noire» (dans ce cas, les plaques d'onde) agit en fonction de leur polarisation. C'est-à-dire que les photons traversent les plaques d'onde en deux points différents de l'espace, selon l'ordre. De plus, il y a un autre inconvénient (plus précisément, la limitation) - la longueur de cohérence des photons dans une telle mise en œuvre est beaucoup plus courte que la distance entre deux plaques d'onde. Cela signifie que les opérations peuvent également différer dans le temps, car certaines d'entre elles peuvent être exécutées plus rapidement en contrôlant les plaques d'onde.

Les scientifiques sont bien conscients que la mise en œuvre ci-dessus présente de nombreuses limites. C'est pourquoi ils se sont concentrés sur un commutateur quantique qui peut surmonter ces limitations.


Image # 1: interrupteur quantique.

L'image №1 montre les schémas de fonctionnement d'un commutateur quantique, où le qubit de contrôle est responsable d'un certain ordre dans lequel deux opérations quantiques A et B sont exécutées, visant le qubit cible | ψ⟩t .

1a - lorsque le qubit de contrôle est dans l'état | 0⟩ _s , il en résulte alors une opération de la forme AB;
1b - lorsque le qubit de contrôle est dans l'état | 1⟩ _s , le résultat est l'opération IA;
1 - si le qubit de contrôle est dans un état de superposition quantique 1 / √2 (| 0⟩ + | 1⟩) _s , l'ordre des opérations passe également en superposition quantique. Par conséquent, l'état général du système de contrôle et cible en sortie est le suivant:



1d - le qubit cible | ψ⟩t est codé selon le degré de liberté de polarisation, tandis que | 0⟩ et | 1⟩ sont des chemins de photons différents à travers les plaques d'ondes. Ces chemins mettent en œuvre les opérations A et B. Puisque les photons traversent les plaques d'onde en deux points différents, nous obtenons 4 opérations différentes: A1, A2 et B1, B2.

Il est à noter que dans la mise en œuvre du commutateur quantique, les scientifiques n'ont utilisé que 2 opérations de type "boîte noire", chacune n'ayant été utilisée qu'une seule fois. Dans le système expérimental, le qubit de contrôle est codé en polarisation et le qubit cible est codé dans le mode spatial transversal du photon.

Les chercheurs disent que leur intérêt pour le commutateur quantique provient du désir de mettre en œuvre un ordre causal du type quantique, ce que personne n'a fait auparavant.

Compte tenu de cela, dans cette étude, les relations causales sont définies comme la capacité de transmettre des signaux entre les événements . Par événements, nous entendons les opérations de changement, de préparation ou de transformation d'un système physique. À titre d'exemple, les scientifiques citent un photon passant à travers plusieurs lentilles. Ce photon définit un événement.

Une structure causale est un réseau de relations causales possibles entre plusieurs événements.

Avec la terminologie «locale» triée, maintenant sur le processus. Tout d'abord, considérons le système causal relativiste. Si l'événement A est dans le passé par rapport à l'événement B, alors nous pouvons envoyer un signal de A à B. Si les événements sont séparés spatialement (loin les uns des autres dans l'espace), alors il ne peut y avoir d'échange de signaux.

Ici, il convient de clarifier ce qu'est la «séparation spatiale», en complétant ce concept par d'autres associés.

Imaginez deux événements distincts: A et B. Si vous êtes assez rapide, vous pouvez voir à la fois A et B. Il s'agit d'une séparation temporaire. Si les événements sont si éloignés, alors pour vous voir tous les deux, vous devez vous déplacer à la vitesse de la lumière, c'est la séparation de la lumière. Si les événements A et B sont encore plus éloignés l'un de l'autre, lorsque vous ne pouvez pas voir les deux se déplacer même à la vitesse de la lumière, alors c'est une séparation spatiale. Ceci est un peu une explication grossière.

Comme nous l'avons vu dans les schémas ci-dessus, il y a deux opérations A et B. En fait, il y en a trois, il y a aussi l'opération C. En savoir plus sur chacune d'elles.

A et B sont des opérations sur le système cible, mises en œuvre le long des deux bras de l'interféromètre. Mais C est déjà les mesures du système de contrôle, qui sont effectuées après que les deux événements A et B ont eu lieu. Ces trois événements doivent être reconnus par un commutateur quantique.


Le schéma de l'expérience.

Considérons maintenant le schéma par lequel l'expérience a été menée. Comme nous le savons déjà, le qubit de contrôle est déterminé par polarisation, il y a donc deux séparateurs de faisceaux polarisants - PBS1 et PBS2 . PBS1 dirige le photon vers l'événement A ou B, qui met en œuvre les opérations correspondantes A et B sur le mode spatial du photon. L'événement C est représenté par une mesure de polarisation décrivant les paramètres Stokes * d'un photon. Pour assurer la correspondance de mode, des lentilles ont été utilisées ( L1 et L2 dans le diagramme).

Paramètres de Stokes * - ensemble de quantités décrivant le vecteur de polarisation des ondes électromagnétiques.

Un faisceau laser de 100 kHz avec une longueur d'onde de 795 nm avec un mode transversal d'ordre bas (HG ₀₀ ) a été utilisé comme source de rayonnement. Ensuite, le faisceau laser a été transformé en mode hermitien-gaussien HG ₁₀ en faisant passer le faisceau à travers un élément qui ajoute la phase π à la moitié du faisceau. Le résultat est un mode spatial qui est une superposition de modes hermitiens-gaussiens. En outre, le filtrage de Fourier a été utilisé pour supprimer la plupart des modes spatiaux d'ordre élevé. Ainsi, l'espace qubit du système cible est constitué de modes spatiaux de premier ordre (| 0⟩ = | HG 10⟩; | 1⟩ = | HG 01⟩). Et la valeur initiale du qubit cible | ψ⟩t est | 0⟩.

Ainsi, en passant par le séparateur polarisant PBS1, le faisceau est divisé en deux bras de l'interféromètre (schéma ci-dessus). Ici, deux opérations unitaires A et B fonctionnent dans un mode spatial transversal, bien que dans des conditions idéales, elles ne devraient pas modifier la polarisation du faisceau. Les bras supérieur et inférieur sont connectés au séparateur de sortie PBS2. Le mod résultant est renvoyé à PBS1. Les objectifs garantissent que le mode correspond, c'est-à-dire que le mode qui rentre dans l'interféromètre doit correspondre au mode d'origine.


Schéma de mise en œuvre des opérations A et B.

Les prismes ( R ) font tourner le mode transversal entrant. À un moment donné, les lentilles cylindriques ( C ) entraînent un déphasage π / 2 des composantes hermitiennes-gaussiennes du photon entrant. Des lentilles sphériques ( L ) sont nécessaires pour obtenir une correspondance de mod. Les réflexions dans les prismes peuvent entraîner une distorsion de polarisation. Afin de compenser ces changements, la demi-plaque d'onde ( H ) et le quart de plaque d'onde ( Q ) sont utilisés. Et φ est la plaque de phase. Pour mettre en œuvre les opérations nécessaires, vous devez ajuster l'angle d'inclinaison θ ₁ et θ ₂ . Par exemple, pour convertir le faisceau HG ₁₀ en HG _{01, le} faisceau doit être tourné de R (θ ₁ ) de 45 degrés et l'angle R (θ ₂ ) réglé à 0.

Dans l'expérience, les scientifiques ont identifié deux sources principales d'erreurs possibles: l'inadéquation des modes et le réglage incorrect des angles d'inclinaison.

Le soi-disant «témoin causal», paramètre démontrant la capacité des événements A et B à correspondre aux opérations unitaires A et B, a agi comme principal indicateur de la performance du système. De plus, les paramètres de Stokes ont été pris en compte pour déterminer ce paramètre.

La modélisation théorique du système, précédant la mise en œuvre pratique, a montré que ⟨S⟩ dans des conditions idéales sera approximativement égal à 0,248. Si nous simulons le système, en tenant compte de ses paramètres réels, alors -0,20 ≲ ⟨S⟩ ≲ -0,14.

Une expérience pratique a montré un bon résultat: ⟨S⟩ = -0,171 ± 0,009, ce qui correspond à la plage attendue. Ainsi, les scientifiques ont conclu que leur système fonctionne dans un ordre causal indéfini. Le fondement de cette réalisation, les chercheurs appellent la polarisation, ou plutôt la manipulation avec elle, qui a permis de mettre en œuvre le système de cette façon.

Pour vous familiariser avec les détails de l'expérience, je recommande fortement le rapport des scientifiques, disponible ici .

Épilogue

Cette étude n'a touché que la surface de certains aspects d'une science aussi complexe et complexe que la mécanique quantique. Cependant, en continuant à travailler dans cette direction, les scientifiques disent qu'ils seront en mesure d'obtenir des résultats encore plus impressionnants qui peuvent changer non seulement la technologie informatique, le transfert de données, etc., mais aussi notre vision du monde comme un ensemble de lois des sciences naturelles qui peuvent perdre leur statut. " indestructible. "

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