Interruptor quântico no estilo Schrödinger

O mundo ao nosso redor trabalha de acordo com as leis das ciências naturais desde o seu início. Podemos explicar praticamente qualquer fenômeno, contando com as próprias leis. E agora já sabemos que o raio não é a fúria de Zeus, o tsunami não é a cobra de Netuno, a Terra não é plana e enormes tartarugas segurando mundos inteiros não existem. É verdade que alguns representantes particularmente obstinados de nossa raça ainda acreditam nas últimas declarações. Hoje, porém, falaremos sobre ciência, que adora virar tudo de cabeça para baixo, sobre mecânica quântica.

Mais precisamente, sobre um estudo que demonstra experimentalmente o fato de que nem sempre temos um único estado de alguma coisa. Aplicando o conhecimento da mecânica quântica, os cientistas foram capazes de alcançar uma ordem causal indeterminada na troca quântica. O que é e como funciona, aprendemos com o relatório deles. Vamos lá

Base de estudo

A causa é um fenômeno muito familiar e compreensível. Sabemos que uma determinada ação leva a um certo resultado, como regra. Obviamente, às vezes pode haver diferentes formas de desenvolvimento de eventos, mas sempre uma é escolhida. Assim, por exemplo, podemos plantar uma semente em uma panela e a flor crescerá ou não. Ele não pode fazer as duas coisas. Vale lembrar o maravilhoso experimento teórico "gato de Schrödinger".


Para estudar a ordem causal incerta, é utilizada uma estrutura que determina se alguma situação experimental (doravante denominada processo) se refere a um processo causal fixo ou não. Um exemplo de um processo de uma ordem causal indeterminada é um comutador quântico no qual as operações de caixa preta * são executadas no sistema de destino, enquanto o comutador em si é coerentemente controlado por um sistema quântico de controle.

Caixa preta * - neste caso, é uma designação de operações que ainda não são conhecidas.

Segundo os cientistas, a principal vantagem de um comutador quântico é o fato de ele não poder ser implementado usando um circuito quântico convencional, que utiliza o mesmo número de operações de caixa preta.

E agora a pergunta que surgiu imediatamente na mente dos cientistas é: é possível realizar essa troca quântica em condições de laboratório? O fato é que, no momento, a implementação de tal tecnologia não tira proveito da opção quântica, uma vez que são usadas "caixas pretas" adicionais. Em tal implementação, a ordem é controlada por qual caminho os fótons escolhem, enquanto cada “caixa preta” (neste caso, placas de ondas) age dependendo da polarização. Ou seja, os fótons passam através das placas de onda em dois pontos diferentes no espaço, dependendo da ordem. Além disso, há outro sinal de menos (mais precisamente, a limitação) - o comprimento da coerência dos fótons em tal implementação é muito menor que a distância entre duas placas de onda. Isso significa que as operações também podem diferir no tempo, pois algumas delas podem ser executadas mais rapidamente controlando as placas de ondas.

Os cientistas estão cientes de que a implementação acima é repleta de muitas limitações. Por isso, eles se concentraram em um comutador quântico que pode superar essas limitações.


Imagem # 1: comutador quântico.

A imagem №1 mostra os esquemas de operação de um comutador quântico, onde o qubit de controle é responsável por uma determinada ordem na qual duas operações quânticas A e B são executadas, visando o qubit alvo | ψ⟩t .

1a - quando o qubit de controle está no estado | 0⟩ _s , então, como resultado, temos uma operação no formato AB;
1b - quando o qubit de controle está no estado | 1s , o resultado é a operação IA;
1 - se o qubit de controle estiver em um estado de superposição quântica 1 / √2 (| 0⟩ + | 1⟩) _s , a ordem das operações também entrará em uma superposição quântica. Como resultado, o estado geral do sistema de controle e destino na saída é o seguinte:



1d - o qubit alvo | ψ⟩t é codificado no grau de liberdade de polarização, enquanto | 0⟩ e | 1⟩ são diferentes caminhos de fótons através das placas de onda. Esses caminhos implementam as operações A e B. Como os fótons passam através das placas de onda em dois pontos diferentes, obtemos 4 operações diferentes: A1, A2 e B1, B2.

Vale a pena notar que, na implementação da chave quântica, os cientistas usaram apenas duas operações do tipo "caixa preta", cada uma das quais foi usada apenas uma vez. No sistema experimental, o qubit de controle é codificado em polarização, e o qubit alvo é codificado no modo espacial transversal do fóton.

Os pesquisadores dizem que seu interesse pela troca quântica se origina do desejo de implementar a ordem causal do tipo quântico, o que ninguém havia feito antes.

Diante disso, neste estudo, as relações causais são definidas como a capacidade de transmitir sinais entre eventos . Por eventos, entendemos as operações de mudança, preparação ou transformação de um sistema físico. Como exemplo, os cientistas citam um fóton passando por várias lentes. Este fóton define um evento.

Uma estrutura causal é uma rede de possíveis relacionamentos causais entre vários eventos.

Com a terminologia "local" resolvida, agora sobre o processo. Primeiro, considere o sistema causal relativístico. Se o evento A estiver no passado em relação ao evento B, podemos enviar um sinal de A para B. Se os eventos estiverem espacialmente separados (distantes um do outro no espaço), não haverá troca de sinais.

Aqui vale a pena esclarecer o que é "separação espacial", complementando esse conceito com outros associados a ele.

Imagine dois eventos separados: A e B. Se você for rápido o suficiente, poderá ver A e B. Esta é uma separação temporária. Se os eventos estão tão distantes, então, para ver vocês dois, você deve se mover na velocidade da luz, isso é separação de luz. Se os eventos A e B estão ainda mais afastados, quando você não consegue ver os dois se movendo na velocidade da luz, então essa é uma separação espacial. Esta é uma explicação um pouco grosseira.

Como vimos nos diagramas acima, existem duas operações A e B. De fato, existem três, há também a operação C. Mais sobre cada uma delas.

A e B são operações no sistema de destino, implementadas ao longo dos dois braços do interferômetro. Mas C já são as medidas do sistema de controle, que são feitas após os dois eventos A e B ocorrerem. Todos esses três eventos devem ser reconhecidos por uma chave quântica.


O esquema do experimento.

Agora considere o esquema pelo qual o experimento foi conduzido. Como já sabemos, o qubit de controle é determinado por polarização, portanto, existem dois separadores de feixe de polarização - PBS1 e PBS2 . PBS1 direciona o fóton para o evento A ou B, que implementa as operações correspondentes A e B no modo espacial do fóton. O evento C é representado por uma medição de polarização que descreve os parâmetros Stokes * de um fóton. Para garantir a correspondência de modo, foram usadas lentes ( L1 e L2 no diagrama).

Parâmetros de Stokes * - um conjunto de quantidades que descrevem o vetor de polarização das ondas eletromagnéticas.

Um feixe de laser de 100 kHz com comprimento de onda de 795 nm com um modo transversal de baixa ordem (HG ₀₀ ) foi usado como fonte de radiação. Em seguida, o feixe de laser foi transformado no modo HG ₁₀ Hermitiano-Gaussiano, passando o feixe através de um elemento que adiciona a fase π à metade do feixe. O resultado é um modo espacial que é uma superposição dos modos hermitiano-gaussiano. Além disso, a filtragem de Fourier foi usada para remover a maioria dos modos espaciais de alta ordem. Assim, o espaço qubit do sistema de destino consiste em modos espaciais de primeira ordem (| 0⟩ = | HG 10⟩; | 1⟩ = | HG 01⟩). E o valor inicial do qubit de destino | ψ⟩t é | 0⟩.

Assim, passando pelo separador polarizador PBS1, o feixe é dividido em dois braços do interferômetro (diagrama acima). Aqui, duas operações unitárias A e B operam no modo espacial transversal, embora em condições ideais elas não devam alterar a polarização do feixe. Os braços superior e inferior estão conectados no separador de saída PBS2. O mod resultante é enviado de volta ao PBS1. As lentes garantem que o modo corresponda, ou seja, o modo que entra novamente no interferômetro, deve corresponder ao modo original.


Esquema de implementação das operações A e B.

Prismas ( R ) giram o modo transversal de entrada. Ao mesmo tempo, as lentes cilíndricas ( C ) levam a uma mudança de fase π / 2 dos componentes hermitiano-gaussianos do fóton recebido. Lentes esféricas ( L ) são necessárias para obter a correspondência de mod. Reflexões em prismas podem levar à distorção da polarização. Para compensar essas alterações, são utilizadas a meia placa de onda ( H ) e a quarta placa de onda ( Q ). E φ é a placa de fase. Para implementar as operações necessárias, você precisa ajustar o ângulo de inclinação θ ₁ e θ ₂ . Por exemplo, para converter o feixe HG ₁₀ em HG _{01, o} feixe deve ser R (θ ₁ ) girado em 45 graus e o ângulo R (θ ₂ ) definido como 0.

No experimento, os cientistas identificaram duas fontes principais de possíveis erros: incompatibilidade de modo e ajuste incorreto dos ângulos de inclinação.

A chamada "testemunha causal", um parâmetro que demonstra a capacidade dos eventos A e B de corresponderem às operações unitárias A e B, atuou como o principal indicador de desempenho do sistema. Além disso, os parâmetros de Stokes foram levados em consideração para determinar esse parâmetro.

A modelagem teórica do sistema, anterior à implementação prática, mostrou que ⟨S⟩ em condições ideais será aproximadamente igual a 0,248. Se simularmos o sistema, levando em consideração seus parâmetros reais, então -0,20 ≲ ⟨S⟩ ≲ -0,14.

Um experimento prático mostrou um bom resultado: ⟨S⟩ = -0,171 ± 0,009, que se encaixa na faixa esperada. Assim, os cientistas concluíram que seu sistema funciona em uma ordem causal indefinida. Os alicerces dessa conquista, os pesquisadores chamam de polarização, ou melhor, manipulação com ela, o que tornou possível implementar o sistema dessa maneira.

Para se familiarizar com os detalhes do experimento, recomendo vivamente o relatório dos cientistas, disponível aqui .

Epílogo

Este estudo tocou apenas a superfície de alguns aspectos de uma ciência tão complexa e intrincada como a mecânica quântica. No entanto, continuando a trabalhar nessa direção, dizem os cientistas, eles serão capazes de alcançar resultados ainda mais impressionantes que podem mudar não apenas a tecnologia da computação, a transferência de dados etc., mas também a nossa visão do mundo como um conjunto de leis das ciências naturais que podem perder seu status ". indestrutível ".

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