Batas Heisenberg tidak dapat diatasi, tetapi jika Anda menghitungnya dengan hati-hati, Anda bisa mendekatinya
Komputasi kuantum didasarkan pada kontrol keadaan kuantum. Baru-baru ini, semakin banyak berita telah muncul tentang bagaimana komputer kuantum menghitung sesuatu, dan kemampuan untuk mengendalikan komputer semacam itu dianggap biasa. Namun pada kenyataannya, kontrol ini masih berfungsi sebagai faktor pembatas untuk pengembangan komputer kuantum.
Di jantung seluruh topik ini adalah
qubit , objek kuantum yang digunakan untuk menyandikan informasi. Bagian dari kemampuan komputer kuantum berasal dari fakta bahwa qubit dapat ditransfer ke keadaan superposisi, yang memungkinkan pengorganisasian perhitungan paralel. Tujuan dari algoritma kuantum adalah untuk memanipulasi keadaan superposisi qubit sedemikian rupa sehingga, ketika mengukur qubit, ia mengembalikan nilai biner yang sesuai dengan jawaban yang benar.
Dan ini berarti memantau keadaan superposisi, di mana peralatan presisi tinggi dan sangat mahal terlibat. Perbaikan biasanya terdiri dari kenyataan bahwa peralatan menjadi lebih murah. Tetapi sebuah
studi baru menunjukkan bahwa kita mungkin dapat meningkatkan kontrol dengan faktor 1000, menggunakan peralatan yang ada dan trik cerdik.
Untuk memahami masalah kontrol, Anda perlu memahami sedikit tentang superposisi. Menggambarkan keadaan superposisi kuantum, kami biasanya menggunakan beberapa konvensi dan mengatakan sesuatu seperti: "ini berarti bahwa partikel berada di dua keadaan pada saat yang sama."
Tetapi untuk tujuan kita ini tidak cukup, dan, menurut saya, bagaimanapun juga itu membingungkan. Objek kuantum memiliki beberapa properti yang dapat diukur. Dan sementara properti ini, misalnya, posisi, tidak diukur, ia tidak memiliki nilai. Kita harus berpikir dalam hal probabilitas: jika kita mengukur, berapa probabilitas mendapatkan nilai tertentu?
Itu secara umum. Dan khususnya, konsep yang sangat tidak biasa dari "fungsi gelombang" terungkap, itu juga "amplitudo probabilitas". Probabilitas selalu positif atau nol dan nyata, tetapi amplitudo dapat positif, negatif, atau bahkan kompleks. Dan itu mengubah segalanya.
Misalkan kita memiliki partikel terpisah, dan kita menembaknya di layar dengan dua slot. Sebuah partikel dapat melewati salah satu slot atau memasuki layar. Di sisi lain layar kita akan memposisikan detektor dan bertanya pada diri sendiri pertanyaan: "Berapa probabilitas mendeteksi suatu partikel?"
Untuk melakukan ini, kita perlu menambahkan fungsi gelombang dari setiap jalur yang dapat dilalui partikel ke detektor. Amplitudo bisa positif atau negatif, sehingga jumlah mereka tidak akan selalu lebih besar. Bahkan bisa menjadi nol.
Jika kita menghitung untuk berbagai posisi yang mungkin dari detektor, kita akan menemukan banyak tempat di mana probabilitasnya nol, dan banyak tempat dengan probabilitas yang sama. Jika Anda melakukan percobaan seperti itu, inilah yang akan Anda ukur. Setelah seribu partikel terpisah melewati celah, akan ada tempat terbuka di mana mereka tidak pernah ditemukan, dan tempat di mana mereka secara teratur ditemukan.
Apa yang saya tuju? Dalam mekanika kuantum, untuk memprediksi hasil secara akurat, perlu mengetahui semua cara yang memungkinkan di mana partikel dapat mencapai tempat tertentu. Jadi, dalam contoh kita, kita harus mempertimbangkan kedua cara untuk detektor kita. Karena itu, orang sering mengatakan bahwa sebuah partikel melewati kedua celah pada saat yang bersamaan.
Tetapi penambahan fungsi gelombang menentukan di mana partikel dapat dideteksi, dan di mana Anda tidak dapat menemukannya. Jadi jika Anda mengubah salah satu jalur yang dapat dilalui partikel, maka Anda mengubah amplitudo dan dengan demikian menggeser tempat-tempat di mana partikel tersebut dapat dideteksi.
Menggunakan Superposisi
Jadi probabilitas untuk mengukur nilai tergantung pada sejarah gelombang probabilistik. Ini termasuk semua jalur yang mungkin. Dan itu bisa diubah menjadi sensor yang luar biasa. Dan kami benar-benar menggunakan sirkuit ini untuk mengukur perjalanan waktu dengan sensitivitas ekstrim. Ini juga berfungsi dengan baik untuk mengukur properti lainnya.
Contoh umum adalah sensor medan magnet. Sebuah elektron dapat dianggap sebagai magnet kecil. Magnet elektron akan berbaris di medan magnet baik ke arah garis atau melawannya. Oleh karena itu, kita dapat membawa elektron ke keadaan superposisi, di mana ia disejajarkan di sepanjang dan di luar garis. Medan magnet mengubah fungsi gelombang dua negara, dan kekuatan perubahan tergantung pada kekuatan medan magnet.
Setelah melewati medan magnet, kami mengukur orientasi magnet elektron. Satu-satunya pengukuran tidak memberi tahu kita apa-apa, tetapi setelah seribu elektron kita akan memiliki probabilitas relatif dari dua orientasi. Berdasarkan ini, kita dapat menghitung kekuatan medan magnet.
Pada prinsipnya, sensor yang sangat akurat dapat bekerja dengan cara ini. Hanya satu hal yang mengganggu: kebisingan. Arti fungsi gelombang tergantung pada jalur yang mereka pilih (tetapi tidak harus pada jarak yang mereka tempuh). Jalur ini berubah secara tak terduga di bawah pengaruh lingkungan lokal, sehingga setiap elektron sebenarnya akan menjadi ukuran pengaruh medan magnet yang menarik perhatian kita, ditambah kontribusi kebisingan. Dan kontribusi ini berbeda untuk setiap elektron. Jika kebisingannya cukup kuat, maka semuanya akan menyamakan dan dua hasil pengukuran akan memiliki probabilitas yang sama.
Kebisingan tidak bisa dikurangi. Oleh karena itu, untuk mendapatkan pengukuran yang baik, perlu membuat elektron kurang sensitif terhadap fluktuasi acak dan lebih sensitif terhadap sinyal.
Tingkatkan kepekaan
Dalam hal mengukur sinyal yang tergantung waktu, Anda perlu menendang elektron secara berkala dengan sangat keras. Dengan tidak adanya tendangan atau suara apa pun, probabilitas untuk sebuah elektron berubah dengan lancar seiring waktu. Noise menambahkan lompatan ke perubahan ini. Sepertinya gelombang itu melompat maju atau mundur dalam waktu tanpa Anda sadari.
Tapi kita tidak perlu lompatan kecil, mereka akan mengganggu sinyalnya. Sebaliknya, Anda perlu mengenai elektron dengan tongkat baseball kuantum, menciptakan lompatan yang cukup besar yang dapat menukar fungsi gelombang dari dua hasil yang mungkin (ini disebut π-pulsa). Jika Anda melakukan ini secara berkala, efeknya membatalkan semua perubahan yang muncul selama pengoperasian interval ini karena kebisingan.
Jadi jika tidak ada sinyal, dan hanya ada noise, Anda tidak akan menemukan perubahan dalam probabilitas. Tetapi jika medan magnet berosilasi dengan frekuensi konstan (atau, lebih tepatnya, menyebabkan qubit berosilasi dengan frekuensi ini), perubahan fungsi gelombang akan terakumulasi.
Ini hanya berfungsi jika sinyal berubah selama periode yang sama dengan interval antara tendangan. Bahkan, kami mendapatkan filter yang sangat sempit (orang yang tertarik dengan elektronik dalam deskripsi ini dapat mengenali
penguat sinkron ).
Dan meskipun filter cukup sempit untuk dapat digunakan, frekuensinya tidak dapat diubah dengan lancar, jadi kami tidak dapat memindai frekuensi yang berbeda. Masalahnya adalah teknologi. Tongkat bisbol kuantum sering memiliki pulsa microwave. Pulsa ini entah bagaimana harus dibuat, dan generator sinyal yang baik dapat memperbarui sinyal keluaran setiap nanosecond. Ini berarti bahwa interval antara pulsa (dan panjang masing-masing pulsa) dapat diubah dengan hanya satu nanosecond.
Bayangkan Anda perlu mengukur frekuensi dan amplitudo medan magnet bolak-balik. Anda tahu bahwa medan magnet berubah dengan frekuensi urutan 5 MHz (ini berarti bahwa dalam 100 ns medan bergerak dari nilai yang benar-benar positif ke nilai yang sepenuhnya negatif). Tapi Anda tidak tahu frekuensi pastinya. Untuk menemukan medan magnet, Anda selangkah demi selangkah meningkatkan interval pulsa untuk menutupi seluruh celah yang Anda minati. Dan jangan menemukan apa pun. Mengapa Karena frekuensi perubahan dalam medan magnet terletak di antara langkah terkecil yang mungkin Anda lakukan.
Masalah yang sama terjadi dengan kontrol qubit. Dalam perangkat dengan beberapa qubit, masing-masing sedikit berbeda dan perlu dikontrol dengan satu set pulsa microwave yang sedikit berbeda. Dan resolusi alat kami tidak memungkinkan untuk mengoptimalkannya dengan cukup baik.
Untuk menyiasatinya, ternyata Anda harus lebih sopan pada elektron. Alih-alih terus-menerus menggunakan tongkat baseball, kami dengan lembut mendorong elektron. Denyut nadi gelombang mikro yang lembut memiliki efek menarik meningkatkan resolusi temporal pulsa. Hasilnya, kami mendapatkan resolusi frekuensi yang lebih tinggi (dan kontrol yang lebih baik atas qubit).
Membulatkan sudut-sudut persegi
Dalam pulsa on / off, amplitudo generator hanya memiliki dua nilai. Dalam pulsa yang meningkat dan menurun dengan lancar, Anda dapat menggunakan skala amplitudo seluruh generator untuk mengubah posisi sentral setiap pulsa dengan nilai yang jauh lebih kecil dari satu nanosecond. Bahkan, alam menghitung pusat momentum menggunakan interpolasi, bahkan jika generatornya tidak menghasilkan nilai pusat.
Akibatnya, generator pulsa dengan konverter digital-ke-analog 14-bit dan resolusi waktu 1 ns dapat mengubah waktu antara pusat pulsa dengan 1 picosecond. Dan ini adalah peningkatan seribu kali lipat.
Para peneliti telah menunjukkan bahwa ini bekerja dengan melakukan spektroskopi medan magnet yang diterapkan pada loop superkonduktor. Mereka kemudian menerapkan teknologi yang sama untuk mengukur frekuensi
resonansi magnetik nuklir dari atom karbon tunggal (berat
13 C isotop) dalam berlian. Dalam kedua kasus, mereka dapat mengukur nilai dengan resolusi yang jauh lebih tinggi daripada yang mungkin dilakukan dengan peralatan mereka.
Bukankah alam itu aneh?
Prestasi ini sangat mengejutkan. Bahkan, para
peneliti mengambil bagian dari peralatan yang dapat ditemukan di laboratorium mana pun, dan menggunakannya sedikit berbeda. Hasilnya adalah sesuatu yang hanya bisa dilakukan dengan generator pulsa masa depan.
Tetapi meskipun saya mendapatkan hasil dan memahami alasannya, saya masih tidak sepenuhnya mengerti bagaimana ini bekerja. Alam tidak menginterpolasi seperti yang kita lakukan - setidaknya saya tidak berpikir begitu. Sebuah elektron atau objek kuantum apa pun yang dipilih mengirimkan pulsa apa adanya: seperangkat tegangan diskrit meningkat dan menurun pada langkah-langkah tetap untuk periode waktu yang tetap. Pusat impuls tidak dapat secara ajaib dilihat dengan melacak garis imajiner antara titik-titik tetap.
Saya pikir sesuatu yang disebut "area momentum" (integral momentum, atau, secara harfiah, area di bawah kurva) berperan di sini. Pusat denyut nadi dapat didefinisikan sebagai waktu selama integral mencapai setengah. Untuk pulsa dengan amplitudo bervariasi halus, perubahan kecil dalam bentuk pulsa dapat bervariasi, dan nilai setengah lintasan ini dapat dicapai dengan cara yang terkontrol.
Tapi saya tidak yakin semuanya berjalan seperti itu. Kuncinya terkandung di dalam area, dan, untuk impuls persegi panjang, area tersebut masih dapat berubah terus menerus, bahkan jika langkah waktunya cukup kasar. Anda hanya perlu mengubah amplitudo nilai "on" dari pulsa segi empat.
Namun teknologi ini akan bermanfaat bagi banyak orang. Orang yang mempelajari komputasi kuantum harus mampu mengendalikan keadaan superposisi, dan inilah teknologi yang diperlukan. Dan sekarang mereka harus dapat mengontrol keadaan kuantum dengan akurasi yang lebih besar, yang berarti bahwa informasi kuantum yang disimpan akan bertahan lebih lama dan lebih banyak perhitungan dapat dilakukan. Dalam hal ini, teknologi seperti itu merupakan langkah maju yang signifikan.
Dan suatu hari saya bahkan dapat mengerti mengapa itu bekerja lebih baik dari yang saya kira seharusnya.