Fizycy kwantowi świętowali w październiku, kiedy Komitet Noblowski przyznał im długo oczekiwany nagrodę fizyki Alainowi Aspectowi, Johnowi Clauserowi i Antonowi Zeilingerowi za ich pionierską działalność badania nad splątaniem kwantowym. Ale społeczność z pewnością nie spoczęła na laurach, a przy tak wielu innych ekscytujących wydarzeniach w 2022 roku trudno jest wybrać tylko kilka najważniejszych wydarzeń. Niemniej jednak oto kilka wyników, które wyróżniały się dla nas w dziedzinie wykrywania kwantowego, informacji kwantowej, obliczeń kwantowych, kryptografii kwantowej i podstawowych nauk kwantowych.
W mechanice kwantowej zasada delokalizacji mówi, że cząstka kwantowa może w pewnym sensie znajdować się w wielu miejscach jednocześnie. Tymczasem zasada splątania mówi, że cząstki kwantowe doświadczają połączenia, które pozwala, aby stan jednej cząstki determinował stan innej, nawet na duże odległości. W listopadzie fizycy z JILA w Kolorado w USA zastosowali połączenie splątania i delokalizacji, aby stłumić szum, który wcześniej uniemożliwiał wykrycie przyspieszeń poniżej tak zwanej granicy kwantowej. Ta granica jest wyznaczana przez szum kwantowy poszczególnych cząstek i od dawna stanowi istotne ograniczenie precyzji czujników kwantowych. Pokonanie go jest zatem dużym krokiem naprzód.
Wysyłanie informacji kwantowych z jednego węzła w sieci do drugiego nie jest łatwe. Jeśli zakodujesz informacje w fotonach wysyłanych przez światłowód, straty w światłowodzie zjadają wierność sygnału, aż stanie się on nieczytelny. Jeśli zamiast tego użyjesz splątania kwantowego do bezpośredniego teleportowania informacji, wprowadzisz inne procesy, które niestety również degradują sygnał. Dodanie trzeciego węzła do sieci, jak fizycy z QuTech w Holandii zrobił w 2021 roku, tylko utrudnia zadanie. Dlatego tak imponujące jest to, że naukowcy QuTech kontynuowali swój wcześniejszy sukces, teleportując informacje kwantowe od nadawcy (Alice) do odbiorcy (Charlie) przez węzeł pośredni (Bob). Chociaż wierność transmisji Alice-Bob-Charlie wynosiła tylko 71%, czyli więcej niż klasyczna granica 2/3, a osiągnięcie tego wymagało od naukowców połączenia i zoptymalizowania kilku trudnych eksperymentów. Czy węzły Dave, Edna i Fred dołączą do sieci w 2023 roku? Zobaczymy!
W przypadku, gdyby nie wynikało to jasno z dwóch pierwszych punktów na tej liście, szum jest ogromnym problemem w nauce kwantowej. Dotyczy to zarówno obliczeń, jak i wykrywania i komunikacji, dlatego tak ważne jest korygowanie błędów spowodowanych hałasem. Fizycy stworzyli kilka postępów na tym froncie w 2022 r., ale jedno z najważniejszych miało miejsce w maju, kiedy naukowcy z Uniwersytetu w Innsbrucku w Austrii i Uniwersytetu RWTH w Akwizgranie w Niemczech po raz pierwszy zademonstrowali pełny zestaw odpornych na uszkodzenia operacji kwantowych. Ich komputer kwantowy z pułapką jonową wykorzystuje siedem fizycznych kubitów do tworzenia każdego kubitu logicznego, a także kubity „flagowe” do sygnalizowania obecności niebezpiecznych błędów w systemie. Co najważniejsze, wersja systemu z poprawionymi błędami działała lepiej niż prostsza nieskorygowana wersja, co ilustruje możliwości tej techniki.
Bezpieczeństwo informacji to USP kryptografii kwantowej, ale informacje są zawsze tak bezpieczne, jak najsłabsze ogniwo w łańcuchu. W dystrybucji kluczy kwantowych (QKD) jednym potencjalnym słabym ogniwem są urządzenia używane do wysyłania i odbierania kluczy, które są podatne na konwencjonalne ataki hakerskie (takie jak włamanie się do węzła i manipulowanie systemem), mimo że same klucze są zabezpieczone przed kwantowe. Jedną z alternatyw jest użycie niezależnego od urządzenia QKD (DIQKD), które wykorzystuje pomiary nierówności Bella w parach fotonów, aby potwierdzić, że proces generowania klucza nie został sfałszowany. W lipcu dwie niezależne grupy naukowców po raz pierwszy eksperymentalnie zademonstrowały DIQKD – w jednym przypadku wygenerowały 1.5 miliona splątanych par Bell w ciągu ośmiu godzin i wykorzystały je do wygenerowania wspólnego klucza o długości 95 884 bitów. Chociaż szybkość generowania klucza musi być wyższa, aby DIQKD był praktyczny w rzeczywistych zaszyfrowanych sieciach, dowód zasady jest oszałamiający.
Pozostałe splątane cząstki na tej liście są identyczne: fotony splątane z innymi fotonami, jony z innymi jonami, atomy z innymi atomami. Ale w teorii kwantowej nie ma nic, co wymagałoby tego rodzaju symetrii, a wyłaniająca się nowa klasa „hybrydowych” technologii kwantowych w rzeczywistości polega na mieszaniu rzeczy. Wejdź do naukowców kierowanych przez Armina Feista z Instytutu Nauk Multidyscyplinarnych Maxa Plancka w Niemczech, którzy wykazali w sierpniu, że mogą splątać elektron i foton za pomocą pierścieniowego mikrorezonatora optycznego i wiązki wysokoenergetycznych elektronów, która przechodzi przez pierścień stycznie. Technika ta ma zastosowanie w procesie kwantowym zwanym „zwiastowaniem”, w którym wykrycie jednej cząstki w splątanej parze wskazuje, że druga cząstka jest dostępna do użycia w obwodzie kwantowym – doskonały przykład tego, jak dzisiejsze fundamentalne postępy napędzają jutrzejsze innowacje.
Torba z kwantowymi dziwactwami
Wreszcie, zgodnie z tradycją (zrobiliśmy to dwa razy, dlatego jest to tradycja), żadna lista najważniejszych wydarzeń kwantowych nie jest kompletna bez ukłonu w stronę wszystkiego, co dziwne i zadziwiające w tej dziedzinie. Więc posłuchajmy tego dla amerykańskich naukowców, którzy używali procesora kwantowego symulować teleportację informacji przez tunel czasoprzestrzenny w czasoprzestrzeni; grupa we Włoszech i Francji, która stawia twarde liczby na nierozróżnialność nierozróżnialnych fotonów; międzynarodowy zespół, który wykorzystał kwantowe naruszenia klasycznej przyczynowości lepiej zrozumieć naturę przyczyny i skutku; oraz para nieustraszonych fizyków z Uniwersytetu w Edynburgu w Wielkiej Brytanii, którzy wykazali, że sygnały kwantowe byłyby dobrym sposobem zaawansowanych technologicznie kosmitów do nawiązania kontaktu na odległościach międzygwiezdnych. Dzięki za utrzymywanie dziwności kwantowej!
