Kvanttifysiikot juhlivat lokakuussa, kun Nobel-komitea myönsi a kauan odotettu fysiikan palkinto Alain Aspectille, John Clauserille ja Anton Zeilingerille uraauurtamisesta kvanttisidonnan tutkimusta. Mutta yhteisö ei todellakaan ole lepäänyt laakereillaan, ja vuonna 2022 on niin monia muita jännittäviä tapahtumia, joten on vaikea valita vain muutamia kohokohtia. Tässä on kuitenkin joitain tuloksia, jotka erottuivat meille kvanttitunnistuksen, kvanttitiedon, kvanttilaskennan, kvanttisalauksen ja perustavanlaatuisen kvanttitieteen aloilta.
Kvanttimekaniikassa delokalisaation periaate sanoo, että kvanttihiukkanen voi jossain käsin aaltoilevassa mielessä olla useassa paikassa kerralla. Kietoutumisperiaate puolestaan sanoo, että kvanttihiukkaset kokevat yhteyden, joka sallii yhden hiukkasen tilan määrittää toisen hiukkasen tilan jopa suurilla etäisyyksillä. Marraskuussa USA:n Coloradossa sijaitsevan JILAn fyysikot käyttivät sotkeutumisen ja siirtämisen yhdistelmää vaimentaakseen melua, joka oli aiemmin tehnyt mahdottomaksi havaita niin kutsutun kvanttirajan alapuolella olevia kiihtyvyyttä. Tämän rajan asettaa yksittäisten hiukkasten kvanttikohina, ja se on pitkään ollut merkittävä rajoite kvanttianturien tarkkuudelle. Sen voittaminen on siis suuri askel eteenpäin.
Kvanttitietojen lähettäminen verkon yhdestä solmusta toiseen ei ole helppoa. Jos koodaat tiedon valokuitua pitkin lähetettyihin fotoneihin, kuidun häviöt syövät signaalin tarkkuutta, kunnes siitä tulee lukukelvoton. Jos sen sijaan käytät kvanttisidotusta tiedon teleportointiin suoraan, otat käyttöön muita prosesseja, jotka valitettavasti myös heikentävät signaalia. Kolmannen solmun lisääminen verkkoon QuTechin fyysikoina Hollannissa teki vuonna 2021, tekee tehtävästä vain vaikeampaa. Siksi on niin vaikuttavaa, että QuTech-tutkijat seurasivat aikaisempaa menestymistään teleportoimalla kvanttitietoa lähettäjältä (Alice) vastaanottajalle (Charlie) välisolmun (Bob) kautta. Vaikka Alice-Bob-Charlie-lähetyksen tarkkuus oli vain 71 %, mikä on korkeampi kuin klassinen 2/3-raja, ja sen saavuttaminen vaati tutkijoilta useiden haastavien kokeiden yhdistämistä ja optimointia. Liittyvätkö Dave, Edna ja Fred solmut verkostoon vuonna 2023? Katsotaan!
Jos se ei käynyt selväksi tämän luettelon kahdesta ensimmäisestä kohokohdasta, melu on valtava ongelma kvanttitieteessä. Tämä koskee yhtä lailla laskemista kuin tunnistusta ja viestintää, minkä vuoksi näiden kohinan aiheuttamien virheiden korjaaminen on niin tärkeää. Fyysikot tekivät useita edistysaskeleita tällä rintamalla vuonna 2022, mutta yksi merkittävimmistä tuli toukokuussa, kun Innsbruckin yliopiston Itävallassa ja RWTH Aachenin yliopistossa Saksassa tutkijat esittelivät ensimmäistä kertaa täydellisen joukon vikasietoisia kvanttioperaatioita. Heidän ioniloukkukvanttitietokoneensa käyttää seitsemää fyysistä kubittia jokaisen loogisen kubitin tekemiseen sekä "lippukubitit" ilmoittamaan vaarallisten virheiden olemassaolosta järjestelmässä. Ratkaisevaa on, että järjestelmän virhekorjattu versio toimi paremmin kuin yksinkertaisempi korjaamaton, mikä havainnollistaa tekniikan mahdollisuuksia.
Tietoturva on kvanttisalauksen USP, mutta tieto on aina yhtä turvallista kuin ketjun heikoin lenkki. Kvanttiavainjakelussa (QKD) yksi potentiaalinen heikko lenkki on avainten lähettämiseen ja vastaanottamiseen käytettävät laitteet, jotka ovat alttiita tavanomaisille hakkeroille (kuten joku murtautuu solmuun ja peukaloi järjestelmää), vaikka itse avaimet ovat suojattuja. kvanttit. Yksi vaihtoehto on käyttää laiteriippumatonta QKD:tä (DIQKD), joka käyttää Bell-epätasa-arvojen mittauksia fotonipareissa varmistaakseen, että avainten luontiprosessia ei ole huijattu. Heinäkuussa kaksi riippumatonta tutkijaryhmää esitteli DIQKD:n kokeellisesti ensimmäistä kertaa – yhdessä tapauksessa luomalla 1.5 miljoonaa sotkeutunutta Bell-paria kahdeksan tunnin aikana ja käyttämällä niitä 95 884 bitin pituisen jaetun avaimen luomiseen. Vaikka avainten luontinopeuden on oltava korkeampi, jotta DIQKD olisi käytännöllinen reaalimaailman salatuissa verkoissa, periaatetodiste on hämmästyttävä.
Muut tämän kohokohtien luettelon kietoutuvat hiukkaset ovat kaikki identtisiä: fotonit kietoutuneina muihin fotoniin, ionit muihin ioneihin, atomit muihin atomiin. Mutta kvanttiteoriassa ei ole mitään, mikä vaatisi tällaista symmetriaa, ja nouseva uusi "hybridi" kvanttiteknologian luokka perustuu itse asiassa asioiden sekoittamiseen. Sisään johtamat tutkijat Armin Feist Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences -instituutista Saksassa, joka osoitti elokuussa, että he pystyvät sotkemaan elektronin ja fotonin käyttämällä renkaanmuotoista optista mikroresonaattoria ja korkean energian elektronien sädettä, joka ohittaa renkaan tangentissa. Tekniikalla on sovelluksia kvanttiprosessille, jota kutsutaan "heraldiksi", jossa yhden hiukkasen havaitseminen sotkeutuneessa parissa osoittaa, että toinen hiukkanen on käytettävissä kvanttipiirissä - loistava esimerkki siitä, kuinka tämän päivän perustavanlaatuiset edistysaskeleet ohjaavat huomisen innovaatioita.
Nappaa laukku kvanttiomituuksia
Lopuksi perinteisesti (olemme tehneet sen kahdesti, joten se on perinne), mikään kvanttikohokohtien luettelo ei ole täydellinen ilman nyökkäys kaikelle alan oudolle ja hämmentävälle. Joten kuulkaamme se yhdysvaltalaisille tutkijoille, jotka käyttivät kvanttiprosessoria simuloida tiedon teleportaatiota madonreiän kautta aika-avaruudessa; ryhmä Italiassa ja Ranskassa, joka asetti kovia numeroita erottumattomien fotonien erottamattomuus; kansainvälinen tiimi, joka käytti klassisen kausaliteetin kvanttirikkomuksia ymmärtää paremmin syy-seuraussuhteen luonnetta; ja peloton fyysikkopari Edinburghin yliopistosta Iso-Britanniasta, jotka osoittivat, että kvanttisignaalit olisivat hyvä tapa teknologisesti kehittyneitä muukalaisia ottamaan yhteyttä tähtienvälisten etäisyyksien yli. Kiitos, että pidät kvanttioudona!
