Результаты нового исследования могут ускорить развитие квантовых технологий

Квантовые технологии могут применяться в самых разнообразных сферах: компьютеры, датчики, системы криптографического моделирования и обработка изображений. Но камнем преткновения является необходимость достижения должной надежности в плане контроля состояний на уровне атомов и фотонов, сообщает Phys.org. Для подготовки квантовой системы к работе часто используется адиабатический процесс, но из-за его длительности и шума окружающей среды часто происходит потеря «квантового состояния» системы.

Для того чтобы ускорить подготовку и минимизировать декогерентность, физики разработали так называемое «адиабатическое сокращение» (STA), которое применимо к любому процессу перехода к квантовому состоянию. Сам переход осуществляется намного быстрее, чем при применении классического адиабатического процесса без потери его качеств и свойств. Этот подход первоначально был разработан для простых систем, состоящих из одной единственной частицы, однако недавно был расширен для систем из множества тел, которые имеют прикладное применение. Тем не менее, применение STA в крупных системах все еще проблематично из-за сложности структуры последних.

В новом докладе, опубликованном в журнале Physical Review Letters, физик Стив Кэмпбелл из Королевского Университета Белфаста и его коллеги из Университета Палермо и Национального Университета Сингапура разработали новый гибридный способ получения квантовых состояний для систем, включающих в себя множество тел. Он заключается в оптимизированном использовании STA. Главное преимущество нового метода в том, что он позволяет достичь почти идеальной производительности STA, что значительно упрощает получение квантовых состояний и в то же время не требует полного понимания всех механизмов и процессов. Ученые смогли продемонстрировать достаточно низкую стоимость достижения квантовых состояний вкупе с высокой скоростью, что увеличивает привлекательность STA.

«Наша работа показывает, что решение проблемы множества квантовых тел LMG-класса существует. Это проблема привлекала очень много внимания различных физических сообществ, изучающих квантовые состояния тел», сказал Кэмпбелл. «В ходе своей работы мы руководствовались принципом „Знай своего врага в лицо“ — это подход, при котором мы используем симметричные проблемы, решение которых позволит нам создать эффективную систему квантового сокращения»

Как объясняют исследователи, их разработку, квантовое сокращение, можно сравнить с поиском водителем кратчайшего пути на работу. «В двух словах, нашу работу можно объяснить даже обывателю при помощи понятных аналогий», сказал Кэмпбелл. «Предположим, что вы хотите добраться на автомобиле от офиса до работы, но вы не желаете стоять в пробке на шоссе в понедельник утром. Вы, несомненно, доберетесь до своего рабочего места и приступите к своим обязанностям, но потеряете много времени и это, скорее всего, означает то, что вы успеете сделать за утро только половину из запланированного.

В итоге вы решаете срезать путь по платной дороге. Да, вы заплатите немного, но сможете прибыть на свое рабочее место вовремя и потратите намного меньше времени: вы успеете сделать все свои дела, ваш босс счастлив, вы получаете прибавку к жалованию и, в конце концов, те расходы, которые вы понесли из-за оплаты дороги уже не имеют значения»

Если спроецировать эту ситуацию, где ваш автомобиль становится квантовой системой в подготовленном состоянии (то есть находится в точке отбытия у вас дома), на квантовый мир, то у вас все также есть два варианта: стоять бесконечно долго в пробке на шоссе в общем потоке или срезать путь при помощи квантового сокращения. С точки зрения затраченной энергии это будет стоить немного, но позволит реализовать желаемое в разы быстрее.

Для описываемой ситуации с одним единственным человеком, описание этой проблемы схожа с ситуацией для системы из одного тела. Но Кэмбелл отметил, что добавляя больше «пассажиров» в поток, ситуация становится все более и более сложной. Тут и возникает проблема для системы из множества тел.

«Теперь необходимо провернуть все то же самое и с вашими коллегами по работе. Все они выезжают из своих домов в одно и то же время, все направляются в офис и все сталкиваются с теми же проблемами, что и вы», сказал Кэмбелл. «Подобные ситуации мы и называем задачей для множества тел. Это серьезная и очень сложная проблема, ведь всех, кто „выезжает в офис“ нужно „уговорить заплатить дорожную пошлину“. Это сложно в реальном мире, а теперь представьте, насколько это проблематично в масштабах квантового мира. Пока метод квантового сокращения, известный как STA, решает проблему одиночного объекта, но нам известно очень мало о работе их множества»

Исследователи продемонстрировали, что метод квантового сокращения (STA) может работать для систем из множества тел и, потенциально, имеет огромный спектр прикладного применения. По их мнению государства уже сейчас должны готовиться к внедрению квантовых систем в будущем. Ученые планирую продолжить исследования и выявить истинную стоимость «проезда по платной дороге», то есть понять, как много энергии нужно для использования STA в системе множества тел. Они также планируют сделать первые шаги на пути создания квантового двигателя используя STA, в котором системы из множества тел будут реализовывать некоторые ранее недоступные термодинамические циклы.

Источник: geektimes.ru/post/250204/