Sinds het ontstaan van de kwantummechanica is de zoektocht naar het begrijpen van metingen een rijke bron van intellectuele fascinatie geweest. De interactievrije meting is een fundamenteel onderdeel kwantumeffect waarbij de aanwezigheid van een lichtgevoelig object wordt vastgesteld zonder onomkeerbaar foton absorptie.
In een onderzoek naar het verband tussen de kwantum- en klassieke werelden hebben wetenschappers van Aalto University hebben een nieuwe en veel effectievere manier ontdekt om interactievrije experimenten uit te voeren. Ze stelden het concept van coherente interactievrije detectie voor en demonstreerden dit experimenteel.
Ze gebruikten een supergeleidend transmonapparaat met drie niveaus om de aanwezigheid van microgolfpulsen te detecteren die door klassieke instrumenten werden gegenereerd. De transmon-apparaten zijn supergeleidende circuits die relatief groot zijn maar toch kwantumgedrag vertonen.
Anton Zeilinger, een van de winnaars van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2022, was de eerste die het idee van een interactievrij experiment met behulp van optica experimenteel implementeerde.
Gheorghe Sorin Paraoanu van de Universiteit van Aalto zei: “We moesten het concept aanpassen aan de verschillende experimentele tools die beschikbaar zijn voor supergeleidende apparaten. Daarom moesten we ook het standaard interactievrije protocol cruciaal veranderen: we voegden nog een laag van “kwantumness” toe door een hoger energieniveau van de transmon te gebruiken. Vervolgens hebben wij gebruik gemaakt van de kwantum coherentie van het resulterende systeem met drie niveaus als hulpbron.”
Kwantumcoherentie – de mogelijkheid dat een object tegelijkertijd twee verschillende toestanden kan innemen – is delicaat en stort gemakkelijk in. Daarom was het niet meteen duidelijk dat het nieuwe protocol zou werken.
Het is verrassend voor wetenschappers dat kwantumcoherentie in hun protocol als hulpmiddel dient, wat een aanzienlijk hoge kans op succes bij detectie oplevert. De eerste demonstratie van het experiment toonde een duidelijke toename van de detectie-efficiëntie.
Ze gingen verschillende keren terug naar de tekentafel om alles nog eens te controleren en maakten theoretische modellen. De modellen bevestigden hun resultaten. Het effect was inderdaad aanwezig.
Shruti Dogra van de Universiteit van Aalto zei: "We hebben ook aangetoond dat zelfs microgolfpulsen met een zeer laag vermogen efficiënt kunnen worden gedetecteerd met behulp van ons protocol."
Het experiment demonstreerde ook een nieuwe methode om kwantumapparaten te gebruiken om een voordeel te behalen ten opzichte van klassieke apparaten: een kwantumvoordeel. De conventionele consensus onder wetenschappers is dat het bereiken van een kwantumvoordeel vereist is quantum computers met tal van qubits. Toch bleek dit experiment een echt kwantumvoordeel te zijn met een relatief eenvoudige opzet.
Paraoanu zei, “In kwantumcomputers zou onze methode kunnen worden toegepast voor het diagnosticeren van microgolffotonentoestanden in bepaalde geheugenelementen. Dit kan worden beschouwd als een zeer efficiënte manier om informatie te extraheren zonder de werking van de kwantumprocessor te verstoren.”
Met behulp van hun nieuwe aanpak onderzoeken wetenschappers nu andere exotische vormen van informatieverwerking, zoals contrafeitelijke communicatie (communicatie tussen twee partijen zonder dat er fysieke deeltjes worden overgedragen) en contrafeitelijke kwantumcomputing (waarbij het resultaat van een berekening wordt verkregen zonder feitelijk de computer).
Journal Reference:
- Dogra, S., McCord, JJ & Paraoanu, GS Coherente interactievrije detectie van microgolfpulsen met een supergeleidend circuit. Nat Commun 13 (7528). DOI: 10.1038 / s41467-022-35049-z
