O limite de Heisenberg não pode ser superado, mas se você o calcular cuidadosamente, poderá se aproximar dele
A computação quântica é baseada no controle de estados quânticos. Recentemente, mais e mais notícias surgiram sobre como os computadores quânticos calculam algo, e a capacidade de controlar esses computadores é um dado adquirido. Mas, na realidade, esse controle ainda serve como um fator limitante para o desenvolvimento de computadores quânticos.
No coração deste tópico inteiro estão os
qubits , objetos quânticos usados para codificar informações. Parte das capacidades de um computador quântico vem do fato de que um qubit pode ser transferido para um estado de superposição, o que permite organizar cálculos paralelos. O objetivo dos algoritmos quânticos é manipular os estados de uma superposição de qubits de forma que, ao medir um qubit, ele retorne um valor binário correspondente à resposta correta.
E isso significa monitorar o estado da superposição, em que equipamentos de alta precisão e muito caros estão envolvidos. As melhorias geralmente consistem no fato de o equipamento se tornar mais barato. Mas um
novo estudo sugere que podemos melhorar o controle por um fator de 1000, usando o equipamento existente e truques engenhosos.
Para entender o problema de controle, você precisa entender um pouco sobre superposição. Descrevendo os estados de superposição quântica, geralmente usamos algumas convenções e dizemos algo como: "isso significa que a partícula está em dois estados ao mesmo tempo".
Mas, para nossos propósitos, isso não é suficiente e, ao que me parece, é confuso. Um objeto quântico possui várias propriedades mensuráveis. E embora essa propriedade, por exemplo, posição, não seja medida, ela não tem valor. Temos que pensar em termos de probabilidades: se formos medir, qual é a probabilidade de obter um certo valor?
Isso é em geral. E, em particular, o conceito extremamente incomum da "função de onda" é revelado, é também a "amplitude de probabilidade". A probabilidade é sempre positiva ou zero e real, mas a amplitude pode ser positiva, negativa ou até complexa. E isso muda tudo.
Suponha que temos uma partícula separada e a filmamos na tela com dois slots. Uma partícula pode passar por qualquer um dos slots ou entrar na tela. Do outro lado da tela, posicionaremos o detector e nos perguntaremos: "Qual é a probabilidade de detectar uma partícula?"
Para fazer isso, precisamos adicionar as funções de onda de cada caminho que uma partícula pode percorrer para o detector. As amplitudes podem ser positivas ou negativas, portanto, sua soma nem sempre será maior. Pode até se tornar zero.
Se calcularmos para muitas posições possíveis diferentes do detector, encontraremos muitos locais onde a probabilidade é zero e muitos locais com igual probabilidade. Se você realizar esse experimento, é isso que você medirá. Depois que mil partículas separadas passarem pelas rachaduras, haverá lugares onde nunca foram encontrados e lugares onde foram encontrados regularmente.
Para o que estou levando? Na mecânica quântica, para prever com precisão os resultados, é necessário conhecer todas as maneiras possíveis pelas quais uma partícula pode alcançar um determinado local. Portanto, em nosso exemplo, temos que considerar os dois lados do nosso detector. Por esse motivo, as pessoas costumam dizer que uma partícula passa pelas duas fendas ao mesmo tempo.
Mas a adição de funções de onda determina onde uma partícula pode ser detectada e onde você não pode encontrá-la. Portanto, se você alterar um dos caminhos pelos quais uma partícula pode percorrer, alterará as amplitudes e, assim, mudará os locais onde a partícula pode ser detectada.
Usando superposição
Portanto, a probabilidade de medir o valor depende do histórico da onda probabilística. Isso inclui todos os caminhos possíveis. E pode ser transformado em um sensor maravilhoso. E realmente usamos esse circuito para medir a passagem do tempo com extrema sensibilidade. Também funciona bem para medir outras propriedades.
Um exemplo comum é um sensor de campo magnético. Um elétron pode ser considerado um pequeno ímã. Um ímã de elétron se alinha em um campo magnético, na direção das linhas ou contra elas. Portanto, podemos colocar o elétron em um estado de superposição, onde ele é alinhado ao longo e contra as linhas. O campo magnético altera a função de onda de dois estados, e a força das alterações depende da força do campo magnético.
Depois de passar por um campo magnético, medimos a orientação do ímã eletrônico. A única medida não nos diz nada, mas depois de mil elétrons teremos probabilidades relativas das duas orientações. Com base nisso, podemos calcular a força do campo magnético.
Em princípio, um sensor muito preciso pode funcionar dessa maneira. Apenas uma coisa perturba: barulho. O significado das funções das ondas depende do caminho que elas escolhem (mas não necessariamente da distância que percorrem). Esse caminho muda imprevisivelmente sob a influência do ambiente local, de modo que cada elétron será realmente uma medida da influência do campo magnético que nos interessa, mais a contribuição do ruído. E essa contribuição é diferente para cada elétron. Se o ruído for bastante forte, tudo será igualado e os dois resultados da medição terão as mesmas probabilidades.
O ruído não pode ser reduzido. Portanto, para obter uma boa medida, é necessário tornar o elétron menos sensível a flutuações aleatórias e mais sensível ao sinal.
Aumentar a sensibilidade
No caso de medir sinais dependentes do tempo, é necessário chutar periodicamente o elétron com muita força. Na ausência de chutes ou qualquer ruído, a probabilidade de um elétron muda suavemente com o tempo. O ruído adiciona saltos a essas alterações. Parece que a onda está pulando para frente ou para trás no tempo despercebida por você.
Mas não precisamos de pequenos saltos, eles interferem no sinal. Em vez disso, você precisa acertar o elétron com um bastão de beisebol quântico, criando um salto suficientemente grande que possa trocar as funções de onda de dois resultados possíveis (isso é chamado de pulso π). Se você fizer isso em intervalos regulares, o efeito cancelará todas as alterações que apareceram durante a operação desse intervalo devido ao ruído.
Portanto, se não houver sinal e houver apenas ruído, você não encontrará uma alteração na probabilidade. Mas se o campo magnético oscila com uma frequência constante (ou, mais precisamente, faz com que o qubit oscile com essa frequência), as alterações na função de onda se acumulam.
Isso só funciona se os sinais mudarem durante um período igual aos intervalos entre os chutes. De fato, temos um filtro muito estreito (as pessoas interessadas em eletrônica nesta descrição podem reconhecer um
amplificador síncrono ).
E embora o filtro seja estreito o suficiente para ser utilizável, ele não pode ser alterado com frequência suave, portanto, não podemos rastrear frequências diferentes. O problema é a tecnologia. Um taco de beisebol quântico geralmente tem um pulso de microondas. Esses pulsos precisam ser criados de alguma forma, e um bom gerador de sinal pode atualizar os sinais de saída a cada nanossegundo. Isso significa que o intervalo entre os pulsos (e a duração de cada pulso) pode ser alterado em apenas um nanossegundo.
Imagine que você precisa medir a frequência e a amplitude de um campo magnético alternado. Você sabe que o campo magnético muda com uma frequência da ordem de 5 MHz (isso significa que em 100 ns o campo passa de um valor completamente positivo para um valor completamente negativo). Mas você não sabe sua frequência exata. Para encontrar o campo magnético, você aumenta passo a passo o intervalo de pulsos para cobrir todo o espaço em que está interessado. E não encontre nada. Porque Porque a frequência das mudanças no campo magnético está entre os menores passos possíveis.
O mesmo problema ocorre com o controle de qubit. Em um dispositivo com vários qubits, cada um é um pouco diferente e precisa ser controlado com um conjunto de pulsos de microondas ligeiramente diferentes. E a resolução de nossa ferramenta não permite otimizá-la suficientemente bem.
Para contornar isso, acontece que você precisa ser mais educado com o elétron. Em vez de usar constantemente um taco de beisebol, empurramos gentilmente o elétron. Um pulso suave de microondas tem o efeito interessante de aumentar a resolução temporal dos pulsos. Como resultado, obtemos uma resolução de frequência mais alta (e melhor controle sobre qubits).
Arredondando os cantos de um quadrado
No pulso liga / desliga, a amplitude do gerador possui apenas dois valores. Em um pulso que aumenta e diminui suavemente, você pode usar toda a escala de amplitude do gerador para alterar a posição central de cada pulso por um valor muito menor que um nanossegundo. De fato, a natureza calcula o centro do momento usando a interpolação, mesmo que seu gerador não produza um valor central.
Como resultado, um gerador de pulsos com um conversor digital-analógico de 14 bits e uma resolução de tempo de 1 ns podem alterar o tempo entre os centros de pulsos em 1 picossegundo. E isso é uma melhoria mil vezes maior.
Os pesquisadores mostraram que isso funciona através da espectroscopia de campos magnéticos aplicados a loops supercondutores. Eles então aplicaram a mesma tecnologia para medir a frequência de
ressonância magnética nuclear de um único átomo de carbono (isótopo pesado de
13 C) no diamante. Nos dois casos, eles foram capazes de medir valores com uma resolução muito maior do que seria possível com seus equipamentos.
A natureza não é estranha?
Essa conquista é muito surpreendente. De fato, os
pesquisadores participaram do equipamento que pode ser encontrado em qualquer laboratório e o usaram de maneira um pouco diferente. O resultado é algo que só poderia ser feito com geradores de pulso do futuro.
Mas, apesar de obter os resultados e entender o raciocínio, ainda não entendo completamente como isso funciona. A natureza não interpola como nós - pelo menos acho que não. Um elétron ou qualquer objeto quântico selecionado envia um pulso como ele é: um conjunto de tensões discretas aumentando e diminuindo em etapas fixas por períodos fixos de tempo. O centro do impulso não pode ser discernido magicamente rastreando uma linha imaginária entre pontos fixos.
Penso que algo chamado "área do momento" (a integral do momento, ou, literalmente, a área sob a curva) desempenha um papel aqui. O centro do pulso pode ser definido como o tempo durante o qual a integral atinge a metade. Para um pulso com uma amplitude que varia suavemente, pequenas alterações na forma do pulso podem variar e esse valor de metade do caminho pode ser alcançado de maneira controlada.
Mas não estou convencido de que tudo funcione dessa maneira. A chave está contida na área e, por um impulso retangular, a área ainda pode mudar continuamente, mesmo que os passos do tempo sejam bastante difíceis. Você só precisa alterar a amplitude do valor "on" do pulso retangular.
Mas essa tecnologia será útil para muitos. As pessoas que estudam computação quântica precisam ser capazes de controlar o estado de superposição, e é para isso que a tecnologia é necessária. E agora eles devem poder controlar estados quânticos com precisão ainda maior, o que significa que as informações quânticas armazenadas durarão mais e mais cálculos poderão ser realizados. Nesse sentido, essa tecnologia representa um avanço significativo.
E algum dia eu posso entender por que funciona melhor do que acho que deveria.