Хабрахабр

Квантовый переключатель в стиле Шредингера

Любое, практически, явление мы можем объяснить, опираясь на те самые законы. Мир вокруг нас работает по законам естественных наук с самого своего возникновения. Правда в последние утверждения еще верят некоторые особенно упрямые представители нашей расы. И вот мы уже знаем, что молнии это не ярость Зевса, цунами это не чих Нептуна, Земля не плоская, а огромных черепах, держащих на себе целые миры, не существует. Но сегодня мы поговорим о науке, которая любит перевернуть все с ног на голову, о квантовой механике.

Применив знания из квантовой механики, ученым удалось добиться неопределенного причинного порядка в квантовом переключателе. Если точнее, то об исследовании, которое экспериментальным путем демонстрирует факт того, что далеко не всегда мы имеем одно единственное состояние чего-либо. Поехали. Что это такое и как это работает мы узнаем из их доклада.

Основа исследования

Мы знаем, что определенное действие приводит к определенному результату, как правило. Причинно-следственная связь — весьма знакомое и понятное всем явление. Так, к примеру, мы можем посадить семечко в горшке, и цветок вырастет или не вырастет. Конечно, порой могут быть разные пути развития событий, но выбирается всегда один. Стоит вспомнить прекрасный теоретический эксперимент «кот Шредингера». Он не может сделать и то, и другое.

Дабы не растягивать повествование, описание сего эксперимента спрятано под спойлером:

Упрощенный вариант звучит так: Данный теоретический эксперимент был описан самим Шрёдингером довольно подробно и сложно, в какой-то степени.

В коробке кот и механизм. Есть стальная коробка. Данное вещество так мало, что за 1 час может распасться 1 атом (а может и не распасться). Механизм — счетчик Гейгера с очень малым количеством радиоактивного вещества. Колба разбивается, и яд убивает кота. Если это происходит, то считывающая трубка счетчика разряжается и срабатывает реле, освобождающее молоток, который висит над колбой с ядом.

Мы не видим, что происходит в коробке, мы не можем повлиять на процесс, даже своими наблюдениями. Теперь пояснение. Таким образом, утрируя, можно сказать, что для нас кот в коробке находится в двух состояниях одновременно: он и жив, и мертв. Пока мы не откроем коробку, мы не знаем жив кот или мертв.

Очень интересный эксперимент, раздвигающий границы квантовой физики.

К всем вышеуказанным переменным эксперимента добавляются некие друзья лаборанта, что проводит данный эксперимент. Еще более необычным можно считать парадокс Вигнера. Первый должен сообщить второму, что кот жив или мертв. Когда он открывает коробку и узнает точное состояние кота, его товарищ, находясь в другом месте, этого состояния не знает. Таким образом, пока все во Вселенной не будут знать точного состояния бедного животного, оно будет считаться и мертвым, и живым одновременно.

Для изучения неопределенного причинного порядка используется фреймворк, который определяет относится ли какая-либо экспериментальная ситуация (далее процесс) к фиксированному причинному процессу или нет. Примером процесса из неопределенного причинного порядка является квантовый переключатель, в котором операции типа «черный ящик»* выполняются в целевой системе, в то время как сам переключатель когерентно контролируется управляющей квантовой системой.

Черный ящик* — в данном случае это обозначение операций, которые пока неизвестны.

По словам ученых, главным преимуществом квантового переключателя является тот факт, что он не может быть реализован с использованием обычной квантовой схемы, в которой используется такое же количество операций «черный ящик».

Дело в том, что на данный момент реализация подобной технологии не использует преимущество квантового переключателя, поскольку используются дополнительные «черные ящики». А теперь вопрос, который сразу возник в головах ученых, — можно ли в лабораторных условиях реализовать этот квантовый переключатель? То есть фотоны проходят через волновые пластины в двух разных точках пространства в зависимости от порядка. В такой реализации порядок контролируется тем, какой путь выбирают фотоны, в то время как каждый «черный ящик» (в данном случае это волновые пластины) действует в зависимости от их поляризации. Это значит, что операции также могут отличаться и во времени, поскольку некоторые из них могут исполняться быстрее за счет управления волновыми пластинами. Кроме этого есть еще один минус (точнее ограничение) — длина когерентности фотонов в такой реализации значительно короче, чем расстояние между двумя волновыми пластинами.

Именно по этому они и сконцентрировали свое внимание на квантовом переключателе, который может эти ограничения преодолеть. Ученые прекрасно понимают, что вышеописанная реализация сопряжена с множеством ограничений.


Изображение №1: квантовый переключатель.

На изображении №1 представлены схемы работы квантового переключателя, где контролирующий кубит ответственен за определенный порядок, в котором исполняются две квантовые операции A и B, направленные на целевой кубит |ψ⟩t.

В результате общее состояние контролирующей и целевой системы на выходе получается следующее: — когда контролирующий кубит находится в состоянии |0⟩с, то в результате мы имеем операцию вида АВ;
1b — когда контролирующий кубит находится в состоянии |1⟩с, то результатом является операция ВА;
— если же контролирующий кубит находится в состоянии квантовой суперпозиции 1/√2(|0⟩+|1⟩)с, порядок операций также переходит в квантовую суперпозицию.

Эти пути реализуют операции А и В. 1d — целевой кубит |ψ⟩t закодирован в степени свободы поляризации, тогда как |0⟩ и |1⟩ являются разными путями фотонов через волновые пластины. Поскольку фотоны проходят через волновые пластины в двух разных точках, мы получаем 4 разные операции: A1, A2 и B1, B2.

В экспериментальной системе контролирующий кубит закодирован в поляризации, а целевой кубит — в поперечной пространственной моде фотона. Стоит отметить, что в реализации квантового переключателя ученые использовали только 2 операции типа «черный ящик», каждая из которых использовалась лишь раз.

Исследователи говорят, что их интерес к квантовому переключателю берет свое начало из желания реализовать причинное упорядочивание квантового типа, что ранее еще никто не делал.

Под событиями подразумеваются операции изменения, подготовки или преобразования физической системы. Учитывая это, в данном исследовании причинные связи определяются как возможность передачи сигналов между событиями. Этот фотон определяет событие. Как пример ученые приводят фотон, проходящий через несколько линз.

Причинная структура является сетью возможных причинных связей между несколькими событиями.

Для начала рассмотрим релятивистскую причинно-следственную систему. С «местной» терминологией разобрались, теперь по поводу процесса. Если же события пространственно разделены (далеко друг друга в пространстве), то никакого обмена сигналами быть не может. Если событие А находится в прошлом в отношении события В, то мы можем отправить сигнал от А до В.

Тут стоит уточнить что такое «пространственное разделение», дополнив это понятие другими, связанными с ним.

Если вы будете достаточно быстрыми, то сможете увидеть и А, и В. Представьте два отдельных события: А и В. Если же события настолько далеки друг от друга, то дабы увидеть оба вы должны двигаться со скоростью света, это световое разделение. Это временное разделение. Это немного грубое разъяснение. Если же события А и В еще дальше друг от друга, когда вы не можете увидеть оба даже двигаясь со скоростью света, то это пространственное разделение.

На самом деле их три, есть еще операция С. Как мы уже увидели на схемах выше, есть две операции А и В. Подробнее о каждой из них.

А вот С это уже измерения контролирующей системы, которые производятся после того, как оба события А и В состоятся. А и В являются операциями над целевой системой, реализованными вдоль двух плеч интерферометра. Все эти три события должны быть распознаны квантовым переключателем.


Схема эксперимента.

Как мы уже знаем, контролирующий кубит определяется поляризацией, посему есть два поляризационных разделителя луча — PBS1 и PBS2. А теперь рассмотрим схему, по которой проводился эксперимента. Событие С представлено измерением поляризации, описывающим параметры Стокса* фотона. PBS1 направляет фотон к событию А или В, которые реализуют соответствующие операции А и В на пространственной моде фотона. Для обеспечения соответствия мод использовались линзы (L1 и L2 на схеме).

Параметры Стокса* — совокупность величин, описывающих вектор поляризации электромагнитных волн.

В качестве источника излучения использовался 100 кГц лазерный луч с длиной волны 795 нм с поперечной модой низкого порядка (HG00). Далее лазерный луч преобразовывался в HG10 эрмитово-гауссовскую моду путем пропускания луча через элемент, добавляющий π-фазу в половину луча. В результате получилась пространственная мода являющаяся суперпозицией эрмитово-гауссовых мод. Далее для удаления большинства пространственных мод высокого порядка использовалась фильтрация Фурье. Таким образом кубитовое пространство целевой системы состоит из пространственных мод первого порядка (|0⟩ = |HG10⟩; |1⟩ = |HG01⟩). А первоначальное значение целевого кубита |ψ⟩t равно |0⟩.

Тут две унитарные операции А и В действуют в поперечной пространственной моде, хотя в идеальных условиях не должны изменять поляризацию луча. Итак, проходя через поляризационный разделитель PBS1, луч разделяется на два плеча интерферометра (схема выше). Полученная мода отправляется обратно к PBS1. Верхнее и нижнее плечо соединяются на выходном разделителе PBS2. Линзы обеспечивают соответствие мод, то есть мода, повторно вошедшая в интерферометр, должна совпадать с исходной модой.


Схема реализации операций А и В.

В свое время цилиндрические линзы (С) приводят к π/2 фазовому сдвигу эрмитово-гауссовых компонентов входящего фотона. Призмы (R) вращают входящую поперечную моду. Отражения в призмах могут приводить к искажению поляризации. Сферические линзы (L) необходимы для достижения соответствия мод. А φ — фазовая пластина. Дабы компенсировать эти изменения используются волновая полу-пластина (H) и волновая четверть-пластина (Q). К примеру для преобразования HG10 луча в HG01 луч необходимо R(θ1) повернуть на 45 градусов, а угол R(θ2) установить на 0. Для реализации необходимых операций нужно корректировать угол наклона θ1 и θ2.

В проведенном эксперименте ученые выделили два основных источника возможных ошибок: несоответствие мод и некорректная установка углов наклона.

Также для определения этого параметра учитывались и параметры Стокса. В качестве основного показателя работоспособности системы выступил так называемый «причинный свидетель» — параметр, демонстрирующий способность событий А и В соответствовать унитарным операциям А и В.

248. Теоретическое моделирование системы, предшествующее практической реализации, показало, что ⟨S⟩ в идеальных условиях будет примерно равен — 0. 20 ≲ ⟨S⟩ ≲ -0. Если же моделировать систему, учитывая ее реальные параметры, то -0. 14.

171 ± 0. Практический эксперимент показал хороший результат: ⟨S⟩ = -0. Таким образом ученые сделали вывод, что их система работает в неопределенном причинном порядке. 009, который вписывается в ожидаемый диапазон. Фундаментом сего достижения исследователи называют поляризацию, а точнее манипуляции с ней, что и позволило реализовать систему подобным образом.

Для ознакомления с деталями эксперимента настоятельно рекомендую доклад ученых, доступный по ссылке.

Эпилог

Однако продолжая работать в данном направлении, как говорят ученые, они смогут достичь еще более внушительных результатов, которые могут изменить не только технологии вычислений, передачи данных и прочее, но и наше видение мира, как совокупности законов естественных наук, которые могут потерять свой статус «нерушимых». Данное исследование коснулось лишь поверхности некоторых аспектов такой сложной и запутанной науки как квантовая механика.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть