Seit den Anfängen der Quantenmechanik ist die Suche nach dem Verständnis von Messungen eine reiche Quelle intellektueller Faszination. Die wechselwirkungsfreie Messung ist eine Grundvoraussetzung Quanteneffekt wodurch das Vorhandensein eines lichtempfindlichen Objekts ohne irreversible Feststellung festgestellt wird Photonenabsorption.
In einer Studie, die den Zusammenhang zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt untersucht, haben Wissenschaftler aus Aalto-Universität haben eine neue und viel effektivere Möglichkeit entdeckt, interaktionsfreie Experimente durchzuführen. Sie schlugen das Konzept der kohärenten, wechselwirkungsfreien Detektion vor und demonstrierten es experimentell.
Sie verwendeten ein dreistufiges supraleitendes Transmon-Gerät, um das Vorhandensein von Mikrowellenimpulsen zu erkennen, die von klassischen Instrumenten erzeugt wurden. Bei den Transmon-Geräten handelt es sich um supraleitende Schaltkreise, die relativ groß sind, aber dennoch Quantenverhalten zeigen.
Anton Zeilinger, einer der Nobelpreisträger für Physik 2022, war der erste, der die Idee eines wechselwirkungsfreien Experiments mithilfe der Optik experimentell umsetzte.
Gheorghe Sorin Paraoanu von der Aalto-Universität sagte: „Wir mussten das Konzept an die verschiedenen experimentellen Werkzeuge anpassen, die für supraleitende Geräte zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund mussten wir auch das standardmäßige wechselwirkungsfreie Protokoll entscheidend ändern: Wir fügten eine weitere Ebene der „Quantenkraft“ hinzu, indem wir ein höheres Energieniveau des Transmons nutzten. Dann haben wir das verwendet Quantenkohärenz des resultierenden Drei-Ebenen-Systems als Ressource.“
Quantenkohärenz – die Möglichkeit, dass ein Objekt gleichzeitig zwei verschiedene Zustände einnehmen kann – ist heikel und bricht leicht zusammen. Daher war es nicht sofort klar, dass das neue Protokoll funktionieren würde.
Für Wissenschaftler ist es überraschend, dass in ihrem Protokoll die Quantenkohärenz als Ressource dient, die eine signifikant hohe Erfolgswahrscheinlichkeit für die Detektion mit sich bringt. Die erste Demonstration des Experiments zeigte eine deutliche Steigerung der Nachweiseffizienz.
Sie gingen mehrmals ans Zeichenbrett, um alles noch einmal zu überprüfen und theoretische Modelle auszuführen. Die Modelle bestätigten ihre Ergebnisse – der Effekt war tatsächlich da.
Shruti Dogra von der Aalto-Universität sagte: „Wir haben auch gezeigt, dass mit unserem Protokoll sogar Mikrowellenimpulse mit sehr geringer Leistung effizient erkannt werden können.“
Das Experiment demonstrierte auch eine neuartige Methode zur Verwendung von Quantengeräten, um einen Vorteil gegenüber klassischen Geräten zu erzielen – einen Quantenvorteil. Der gängige Konsens unter Wissenschaftlern besteht darin, dass das Erreichen eines Quantenvorteils erforderlich ist Quantencomputer mit zahlreichen Qubits. Dennoch erwies sich dieses Experiment mit einem relativ einfachen Aufbau als echter Quantenvorteil.
Paraoanu sagte, „Im Quantencomputing könnte unsere Methode zur Diagnose von Mikrowellen-Photonen-Zuständen in bestimmten Speicherelementen eingesetzt werden. Dies kann als eine hocheffiziente Möglichkeit angesehen werden, Informationen zu extrahieren, ohne die Funktion des Quantenprozessors zu stören.“
Mit ihrem neuen Ansatz erforschen Wissenschaftler nun andere exotische Formen der Informationsverarbeitung wie die kontrafaktische Kommunikation (Kommunikation zwischen zwei Parteien, ohne dass physische Teilchen übertragen werden) und das kontrafaktische Quantencomputing (bei dem das Ergebnis einer Berechnung ermittelt wird, ohne dass die Daten tatsächlich ausgeführt werden). Computer).
Journal Referenz:
- Dogra, S., McCord, JJ & Paraoanu, GS Kohärente wechselwirkungsfreie Detektion von Mikrowellenimpulsen mit einem supraleitenden Schaltkreis. Nat Commun 13, 7528 (2022). DOI: 10.1038 / s41467-022-35049-z
