Siden begyndelsen af kvantemekanikken har søgen efter at forstå målinger været en rig kilde til intellektuel fascination. Den interaktionsfrie måling er en fundamental kvanteeffekt hvorved tilstedeværelsen af en lysfølsom genstand bestemmes uden irreversibel foton absorption.
I en undersøgelse, der udforsker sammenhængen mellem kvanteverdenen og den klassiske verden, har forskere fra Aalto Universitet har opdaget en ny og meget mere effektiv måde at udføre interaktionsfrie eksperimenter på. De foreslog konceptet kohærent interaktionsfri detektion og demonstrerede det eksperimentelt.
De brugte en superledende transmon-enhed i tre niveauer til at detektere tilstedeværelsen af mikrobølgeimpulser genereret af klassiske instrumenter. Transmon-enhederne er superledende kredsløb, der er relativt store, men som stadig viser kvanteadfærd.
Anton Zeilinger, en af vinderne af Nobelprisen i fysik i 2022, var den første til at implementere ideen om et interaktionsfrit eksperiment ved hjælp af optik eksperimentelt.
Gheorghe Sorin Paraoanu fra Aalto Universitet sagde: "Vi var nødt til at tilpasse konceptet til de forskellige eksperimentelle værktøjer, der var tilgængelige for superledende enheder. På grund af det var vi også nødt til at ændre den standard interaktionsfrie protokol afgørende: vi tilføjede endnu et lag af "kvantelighed" ved at bruge et højere energiniveau af transmonen. Så brugte vi kvante kohærens af det resulterende tre-niveau system som en ressource."
Kvantekohærens - muligheden for, at et objekt kan indtage to forskellige tilstande samtidigt - er delikat og kollapser let. Derfor var det ikke umiddelbart indlysende, at den nye protokol ville virke.
Det er overraskende for videnskabsmænd, at kvantekohærens i deres protokol tjener som en ressource, hvilket giver en betydelig høj sandsynlighed for detektionssucces. Den første demonstration af eksperimentet viste en markant stigning i detektionseffektiviteten.
De gik tilbage til tegnebrættet flere gange for at dobbelttjekke alt og kørte teoretiske modeller. Modellerne bekræftede deres resultater- Effekten var der, faktisk.
Shruti Dogra fra Aalto Universitet sagde, "Vi demonstrerede også, at selv meget laveffekt mikrobølgeimpulser kan detekteres effektivt ved hjælp af vores protokol."
Eksperimentet demonstrerede også en ny metode til at bruge kvanteanordninger til at opnå en fordel i forhold til klassiske - en kvantefordel. Den konventionelle konsensus blandt videnskabsmænd er, at opnåelse af en kvantefordel vil kræve kvantecomputere med adskillige qubits. Alligevel viste dette eksperiment en reel kvantefordel med en relativt enkel opsætning.
Paraoanu sagde, "I kvanteberegning kunne vores metode anvendes til at diagnosticere mikrobølge-fotontilstande i visse hukommelseselementer. Dette kan betragtes som en yderst effektiv måde at udtrække information på uden at forstyrre kvanteprocessorens funktion."
Ved hjælp af deres nye tilgang udforsker forskere nu andre eksotiske former for informationsbehandling som kontrafaktisk kommunikation (kommunikation mellem to parter uden at nogen fysiske partikler overføres) og kontrafaktisk kvanteberegning (hvor resultatet af en beregning opnås uden i virkeligheden at køre computer).
Journal Reference:
- Dogra, S., McCord, JJ & Paraoanu, GS Kohærent interaktionsfri detektion af mikrobølgeimpulser med et superledende kredsløb. Nat Commun 13, 7528 (2022). DOI: 10.1038 / s41467-022-35049-z
