Un team di giovani scienziati dell'Istituto di Scienze Naturali e Matematica della South Ural State University, sotto la guida del fisico e matematico Professor Sergei Podoshvedov, hanno proposto un generatore algoritmico dello stato non classico della luce che rappresenta uno "stato del gatto di Schrödinger" di ampiezza molto grande. Questo algoritmo gioca un ruolo importante nell'accoppiamento quantistico e nei calcoli quantistici in campo ottico con l'uso di sorgenti laser. I risultati di questo lavoro sono stati pubblicati in Rapporti scientifici .

Il gatto è vivo o morto?

I ricercatori hanno studiato attivamente vari campi della meccanica quantistica. Uno di questi includeva l'idea di generare stati di luce non classici. I ricercatori hanno considerato quali condizioni devono essere create per lavorare con la trasmissione di informazioni quantistiche e determinato la possibilità di creare tali condizioni nella realtà. Questo compito è interessante sia dal punto di vista fondamentale (cioè, se è del tutto possibile), e da quello applicato, poiché i segnali luminosi sono in grado di trasmettere informazioni quantistiche utilizzando particelle entangled. Gli scienziati della SUSU hanno proposto un algoritmo per creare uno stato di luce in cui i fotoni si trovano nello stato di gatto di Schrödinger.

Nel 1935, fisico austriaco Erwin Schrödinger, uno dei primi ricercatori della meccanica quantistica, propose un famoso esperimento mentale che coinvolgeva un gatto rinchiuso in una camera. La sua vita dipende dal decadimento di un atomo radioattivo; se l'atomo decade, un relè si attiva e rilascia un martello che frantuma una fiaschetta di veleno, e il gatto è avvelenato; se l'atomo non decade, il gatto rimane vivo. Una volta aperta la camera, l'osservatore può assistere solo a uno dei due stati:il nucleo è decaduto, e il gatto è morto, o il nucleo non è decaduto, e il gatto è vivo. Prima che accada, l'ipotetico gatto è sia vivo che morto.

L'illustrazione di Schrödinger descrive il principale paradosso della fisica quantistica:Particelle, come gli elettroni, fotoni e persino atomi, può esistere in due stati contemporaneamente. La creazione di elementi ottici con l'uso di particelle elementari per computer quantistici è una direzione promettente. Più probabilmente, però, un computer quantistico sarà progettato sulla base di diversi sistemi fisici, compreso l'uso di qubit ottici.

Nei calcoli quantistici, lo stato del gatto di Schrödinger è uno speciale stato entangled (accoppiato) di qubit, in cui sono tutti in una sovrapposizione uguale di tutti gli zeri e gli uno.

"I Qubit possono essere influenzati dall'ambiente circostante e, perciò, richiedono sistemi informatici affidabili. Tutto ciò pone esigenze molto esigenti su qualsiasi sistema fisico basato su qubit, così come le porte quantistiche che trasformano gli stati di input dei qubit in stati di output. Diversi sistemi fisici possono essere utilizzati per diversi protocolli quantistici. In particolare, poiché la luce ha la massima velocità di propagazione possibile e interagisce debolmente con l'ambiente rumoroso circostante, i sistemi ottici vengono affiancati ai sistemi atomici quando si sviluppano le possibili configurazioni di un computer quantistico, " spiega Dmitrii Kuts.

La condizione di sovrapposizione rende i computer quantistici incredibilmente potenti. Ma complica notevolmente i calcoli. I qubit non devono semplicemente mantenere il loro stato; devono anche interagire tra loro. E la situazione diventa più complicata se si considera l'interazione tra decine o centinaia di qubit.

Nuovi passi verso il raggiungimento dell'obiettivo

Gli scienziati intendono condurre esperimenti per creare una determinata fonte di luce entangled indipendente dalle condizioni iniziali. La creazione su richiesta di una fonte di entanglement è un elemento cruciale per l'implementazione pratica di tutti i protocolli quantistici, compresa la creazione di un computer quantistico. La promessa del calcolo quantistico è implementare in modo efficiente algoritmi intrattabili per eseguire funzioni come scegliere rapidamente la soluzione giusta tra milioni di opzioni, o cercando dati non ordinati, che non possono essere eseguite in modo efficiente da computer che operano secondo leggi classiche. Ma per realizzare un computer quantistico funzionante, un insieme multiuso di determinate operazioni con un ampio insieme di qubit deve essere eseguito in modo efficiente. La diversità dei possibili stati di un qubit aumenta significativamente la sua capacità, e quindi, la potenziale potenza di calcolo di un computer.

"Di regola, gli esperimenti di conduzione dei ricercatori possono implementare nella pratica solo un numero molto limitato di stati utili. Un'implementazione su richiesta di uno stato quantistico desiderato è la chiave per il funzionamento degli stati quantistici e di un gran numero di vari protocolli quantistici. In sostanza, un computer quantistico è esso stesso un generatore dello stato di uscita richiesto, le cui informazioni sono estratte mediante la misurazione. Lo stesso si può dire anche di, ad esempio, un protocollo di teletrasporto quantistico di uno stato sconosciuto, o, diciamo, di un Internet quantistico. Qualsiasi progressione, che si tratti di un nuovo meccanismo o di un nuovo algoritmo nell'ingegneria quantistica, avvicina l'umanità alla realizzazione di un computer quantistico efficiente e al tentativo di sbirciare oltre i confini del mondo fisico, " dice Sergei Podoshvedov.

Sebbene siano stati proposti molteplici approcci ai computer quantistici ottici, nessuno è completamente soddisfacente; le proposte esistenti sono piuttosto complicate o hanno un'applicazione limitata. Ad esempio, l'attuazione di una semplice operazione logica richiederebbe un numero inaccettabilmente elevato di operazioni aggiuntive. Usando in modo così efficiente le risorse ottiche, meccanismi di interazione e stati idonei è ancora una questione aperta. L'ingegneria quantistica degli stati rimane un problema irrisolto dell'elaborazione quantistica dell'informazione.

Lo stato del gatto di Schrödinger potrebbe consentire ai ricercatori di ridurre le perdite durante l'elaborazione quantistica delle informazioni, e può essere creato in qualsiasi ambiente con ampie ampiezze. Tuttavia, una serie di problemi sorgono quando si lavora con loro. Per esempio, questi stati devono essere stabili, e le operazioni quantistiche devono essere eseguite molto rapidamente. Scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per risolvere questi compiti.