Οι κβαντικοί φυσικοί γιόρτασαν τον Οκτώβριο όταν η επιτροπή Νόμπελ απένειμε α πολυαναμενόμενο βραβείο φυσικής στους Alain Aspect, John Clauser και Anton Zeilinger για την πρωτοπορία τους έρευνα για την κβαντική εμπλοκή. Αλλά η κοινότητα σίγουρα δεν επαναπαύεται στις δάφνες της, και με τόσες άλλες συναρπαστικές εξελίξεις το 2022, είναι δύσκολο να διαλέξουμε μόνο μερικά κύρια σημεία. Ωστόσο, εδώ είναι μερικά αποτελέσματα που ξεχώρισαν για εμάς στους τομείς της κβαντικής ανίχνευσης, των κβαντικών πληροφοριών, των κβαντικών υπολογιστών, της κβαντικής κρυπτογραφίας και της θεμελιώδης κβαντικής επιστήμης.
Στην κβαντομηχανική, η αρχή της μετεγκατάστασης δηλώνει ότι ένα κβαντικό σωματίδιο μπορεί, με κάποια κυματιστή έννοια, να βρίσκεται σε πολλά σημεία ταυτόχρονα. Η αρχή της εμπλοκής, εν τω μεταξύ, δηλώνει ότι τα κβαντικά σωματίδια βιώνουν μια σύνδεση που επιτρέπει στην κατάσταση ενός σωματιδίου να καθορίσει αυτή ενός άλλου, ακόμη και σε τεράστιες αποστάσεις. Τον Νοέμβριο, φυσικοί στο JILA στο Κολοράντο των Η.Π.Α., χρησιμοποίησαν έναν συνδυασμό εμπλοκής και μετεγκατάστασης για να καταστείλουν τον θόρυβο που προηγουμένως καθιστούσε αδύνατη την αίσθηση επιταχύνσεων κάτω από το λεγόμενο κβαντικό όριο. Αυτό το όριο τίθεται από τον κβαντικό θόρυβο των μεμονωμένων σωματιδίων και αποτελεί εδώ και καιρό σημαντικό περιορισμό στην ακρίβεια των κβαντικών αισθητήρων. Η υπέρβασή του είναι επομένως ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός.
Η αποστολή κβαντικών πληροφοριών από έναν κόμβο σε ένα δίκτυο σε έναν άλλο δεν είναι εύκολη. Εάν κωδικοποιήσετε τις πληροφορίες σε φωτόνια που αποστέλλονται σε μια οπτική ίνα, οι απώλειες στην ίνα καταστρέφουν την πιστότητα του σήματος μέχρι να γίνει δυσανάγνωστο. Εάν αντ 'αυτού χρησιμοποιήσετε την κβαντική εμπλοκή για να τηλεμεταφέρετε απευθείας τις πληροφορίες, εισάγετε άλλες διαδικασίες που, δυστυχώς, υποβαθμίζουν επίσης το σήμα. Προσθέτοντας έναν τρίτο κόμβο στο δίκτυο, ως φυσικοί στην QuTech στην Ολλανδία έκανε το 2021, απλώς κάνει το έργο πιο δύσκολο. Γι' αυτό είναι τόσο εντυπωσιακό το γεγονός ότι οι ερευνητές της QuTech παρακολούθησαν την προηγούμενη επιτυχία τους τηλεμεταφέροντας κβαντικές πληροφορίες από έναν αποστολέα (Alice) σε έναν δέκτη (Charlie) μέσω ενός ενδιάμεσου κόμβου (Bob). Αν και η πιστότητα της μετάδοσης Alice-Bob-Charlie ήταν μόνο 71%, αυτό είναι υψηλότερο από το κλασικό όριο των 2/3, και η επίτευξή του απαιτούσε από τους ερευνητές να συνδυάσουν και να βελτιστοποιήσουν αρκετά απαιτητικά πειράματα. Θα ενταχθούν στο δίκτυο οι κόμβοι Dave, Edna και Fred το 2023; Θα δούμε!
Σε περίπτωση που δεν ήταν ξεκάθαρο από τα δύο πρώτα σημεία αυτής της λίστας, ο θόρυβος είναι ένα τεράστιο πρόβλημα στην κβαντική επιστήμη. Αυτό ισχύει τόσο για τους υπολογιστές όσο και για την ανίχνευση και την επικοινωνία, γι' αυτό είναι τόσο σημαντική η διόρθωση αυτών των σφαλμάτων που προκαλούνται από το θόρυβο. Οι φυσικοί έφτιαξαν αρκετές προόδους σε αυτό το μέτωπο το 2022, αλλά ένα από τα πιο σημαντικά ήρθε τον Μάιο, όταν ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ της Αυστρίας και στο Πανεπιστήμιο RWTH του Άαχεν στη Γερμανία επέδειξαν για πρώτη φορά ένα πλήρες σύνολο κβαντικών πράξεων με ανεκτικότητα σε σφάλματα. Ο κβαντικός υπολογιστής ιονοπαγίδας τους χρησιμοποιεί επτά φυσικά qubit για να φτιάξει κάθε λογικό qubit, συν qubits "σημαία" για να σηματοδοτήσει την παρουσία επικίνδυνων σφαλμάτων στο σύστημα. Το σημαντικότερο είναι ότι η έκδοση του συστήματος που διορθώθηκε με σφάλματα απέδωσε καλύτερα από την απλούστερη μη διορθωμένη, απεικονίζοντας τις δυνατότητες της τεχνικής.
Η ασφάλεια των πληροφοριών είναι το USP της κβαντικής κρυπτογραφίας, αλλά οι πληροφορίες είναι τόσο ασφαλείς όσο ο πιο αδύναμος κρίκος στην αλυσίδα. Στην κβαντική διανομή κλειδιών (QKD), ένας πιθανός αδύναμος κρίκος είναι οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για την αποστολή και τη λήψη των κλειδιών, οι οποίες είναι ευάλωτες σε συμβατικές εισβολές (όπως κάποιος που εισβάλλει σε έναν κόμβο και παραποιεί το σύστημα), παρόλο που τα ίδια τα κλειδιά είναι ασφαλή έναντι κβαντικές. Μια εναλλακτική είναι να χρησιμοποιήσετε το QKD (DIQKD) ανεξάρτητο από τη συσκευή, το οποίο χρησιμοποιεί μετρήσεις των ανισοτήτων Bell σε ζεύγη φωτονίων για να επιβεβαιώσει ότι η διαδικασία δημιουργίας κλειδιών δεν έχει παρακαμφθεί. Τον Ιούλιο, δύο ανεξάρτητες ομάδες ερευνητών απέδειξαν πειραματικά το DIQKD για πρώτη φορά – σε μία περίπτωση δημιουργώντας 1.5 εκατομμύρια μπερδεμένα ζεύγη Bell σε διάστημα οκτώ ωρών και χρησιμοποιώντας τα για να δημιουργήσουν ένα κοινό κλειδί μήκους 95 884 bit. Αν και ο ρυθμός δημιουργίας κλειδιών πρέπει να είναι υψηλότερος για να γίνει το DIQKD πρακτικό για κρυπτογραφημένα δίκτυα πραγματικού κόσμου, η απόδειξη αρχής είναι εκπληκτική.
Τα άλλα μπερδεμένα σωματίδια σε αυτήν τη λίστα με τα κύρια σημεία είναι όλα πανομοιότυπα: φωτόνια μπλεγμένα με άλλα φωτόνια, ιόντα με άλλα ιόντα, άτομα με άλλα άτομα. Αλλά δεν υπάρχει τίποτα στην κβαντική θεωρία που να απαιτεί αυτό το είδος συμμετρίας, και μια αναδυόμενη νέα κατηγορία «υβριδικών» κβαντικών τεχνολογιών στην πραγματικότητα βασίζεται στην ανάμειξη των πραγμάτων. Εισάγετε ερευνητές με επικεφαλής Άρμιν Φέιστ του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ για Πολυεπιστημονικές Επιστήμες στη Γερμανία, οι οποίοι έδειξαν τον Αύγουστο ότι μπορούσαν να μπερδέψουν ένα ηλεκτρόνιο και ένα φωτόνιο χρησιμοποιώντας έναν δακτυλιοειδή οπτικό μικροσυντονιστή και μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας που περνάει τον δακτύλιο σε μια εφαπτομένη. Η τεχνική έχει εφαρμογές για μια κβαντική διαδικασία που ονομάζεται "heralding" στην οποία η ανίχνευση ενός σωματιδίου σε ένα μπερδεμένο ζεύγος υποδεικνύει ότι το άλλο σωματίδιο είναι διαθέσιμο για χρήση σε ένα κβαντικό κύκλωμα - ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς οι θεμελιώδεις πρόοδοι του σήμερα οδηγούν τις αυριανές καινοτομίες.
Μια τσάντα κβαντικής παραξενιάς
Τέλος, όπως είναι παραδοσιακό (το έχουμε κάνει δυο φορές, επομένως είναι παράδοση), καμία λίστα με κβαντικά σημεία δεν είναι πλήρης χωρίς ένα νεύμα σε όλα όσα είναι περίεργα και συγκλονιστικά στον τομέα. Ας το ακούσουμε λοιπόν για τους Αμερικανούς ερευνητές που χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό επεξεργαστή προσομοίωση της τηλεμεταφοράς πληροφοριών μέσω μιας σκουληκότρυπας στο χωροχρόνο; μια ομάδα στην Ιταλία και τη Γαλλία που έβαλε σκληρούς αριθμούς δυσδιάκριση δυσδιάκριτων φωτονίων; μια διεθνής ομάδα που χρησιμοποίησε κβαντικές παραβιάσεις της κλασικής αιτιότητας για να κατανοήσουν καλύτερα τη φύση της αιτίας και του αποτελέσματος; και ένα ατρόμητο ζευγάρι φυσικών στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, στο Ηνωμένο Βασίλειο, που έδειξαν ότι τα κβαντικά σήματα θα ήταν ένας καλός τρόπος για τεχνολογικά προηγμένους εξωγήινους για να δημιουργήσουν επαφή σε διαστρικές αποστάσεις. Ευχαριστώ που κρατάς το κβαντικό περίεργο!
