(teekid/Getty Images) Wissenschaftlicher Fortschritt in Richtung a Quanten-Computing Die Zukunft hat bisher viel mit sich gebracht verschiedene Durchbrüche in vielen verschiedenen (aber verwandten) Bereichen, und jetzt gibt es etwas Neues zu berichten: die Entdeckung eines entscheidenden Quantengeschwindigkeitslimits.
Diese neueste Forschung beantwortet eine grundlegende Frage: Wie schnell kann ein Quantenprozess sein? Dies ist eine nützliche Information, wenn Sie eine erstellen möchten so viel wie ein Computer oder ein Quantennetzwerk, da es Ihnen einige der dem System innewohnenden Einschränkungen aufzeigt.
Zum Glück für diejenigen unter uns, die keine Quantenphysiker sind, hat das Team hinter der neuen Studie eine leichter verständliche Analogie bereitgestellt, bei der es um einen geschickten Kellner geht, der mit einem Tablett voller Getränke herumläuft. Wie schnell kann der Kellner alle Getränke verteilen, ohne Flüssigkeit zu verschütten?
Wie sich herausstellt, besteht die Antwort darin, an bestimmten Stellen vorsichtig zu beschleunigen und zu verlangsamen und die Flüssigkeitsgläser bei Bedarf zu kippen, um ein Verschütten zu vermeiden – nur verwendeten die Wissenschaftler hier abgekühlte Cäsiumatome anstelle von Champagner und eine von ihnen geschaffene optische Falle zwei Laserstrahlen als „Getränketablett“.
So eine Falle - bekannt als optisches Gitter - entsteht, wenn zwei Laserstrahlen genau aufeinander gerichtet sind (Physiker nennen dies Gegenausbreitung), was zu einer klar definierten Interferenz führt, die wie eine Ansammlung von Gipfeln und Tälern geformt ist.
Zum Transport wurden die Atome in diese Täler gelegt und das zweidimensionale Gitter in Bewegung gesetzt, ähnlich einem Förderband. Ziel der Forschung war es herauszufinden, wie schnell dieser Aufbau bewegt werden kann, ohne dass die Atome gestört werden.
„Wir haben das Atom in eines dieser Täler geladen und dann die stehende Welle in Bewegung gesetzt – dadurch wurde die Position des Tals selbst verschoben.“ sagt der Physiker Andrea Alberti , von der Universität Bonn in Deutschland.
„Unser Ziel war es, das Atom in kürzester Zeit an den Zielort zu bringen, ohne dass es sozusagen aus dem Tal schwappt.“
Der Aufbau befasst sich mit den physikalischen Einschränkungen, die entstehen, wenn Quanteninformationen vollständig intakt von einem Ort zum anderen gelangen. Wenn Sie es so schnell wie möglich verschieben, schützen Sie sich vor Störungen von außen. Wenn Sie jedoch zu schnell vorgehen, können wichtige Daten verloren gehen (mit anderen Worten: Am Ende landet Champagner auf dem Boden).
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sorgfältig kalibrierte Beschleunigungen und Verzögerungen erforderlich waren, um die optimale Gesamtgeschwindigkeitsgrenze für die Übertragung von Quantendaten zu erreichen, anstatt durchgehend eine konstante Geschwindigkeit einzuhalten.
Es ist das erste Mal, dass komplexere Transfers – bei denen sich Systeme auf ihrem Weg durch mehrere Quantenzustände bewegen müssen – auf diese Weise gemessen wurden. Quantengeschwindigkeitsbegrenzungen für einfachere Staaten haben bereits etabliert .
Der Mandelstam-Tamm-Grenzwert für einfachere Zustände, benannt nach den Physikern, die ihn entdeckt haben, gilt hier nicht. Es lieferte den Forschern jedoch einen Ausgangspunkt: die Idee, dass die Energieunsicherheit (wie „frei“ sich Teilchen zwischen Energiezuständen bewegen sollen) entscheidend für die maximale Geschwindigkeit einer Übertragung ist.
Bei komplizierteren Szenarien über größere Entfernungen spielt die Energieunsicherheit neben der Anzahl der Zwischenzustände, die die Teilchen durchlaufen müssen, um erfolgreich und ohne Störungen ihr Ziel zu erreichen, eine Rolle. Letztendlich haben komplexere Quantensysteme eine niedrigere Geschwindigkeitsgrenze.
Nachdem wir nun die höchste Geschwindigkeit kennen, mit der Atome von einem Ort zum anderen bewegt werden können, ohne ihren ursprünglichen Zustand zu verlieren – in dieser Studie 17 Millimeter pro Sekunde über eine Distanz von 0,5 Mikrometern –, wissen wir, wie schnell wir ähnliche Transfers vorantreiben können in Quantencomputersystemen.
Eines der Hauptprobleme bei Quantenzuständen ist ihre Fragilität oder ihre kurze Kohärenzzeit – wie lange sie stabil bleiben können. Diese neue Forschung bringt uns näher an das Verständnis, wie wir diese Zeit optimal nutzen können.
„Unsere Studie zeigt, wie viele Operationen wir in der Kohärenzzeit maximal durchführen können“, sagt Alberti . „Dadurch ist eine optimale Nutzung möglich.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Körperliche Untersuchung X .