Fizicienii cuantici au sărbătorit în octombrie când comitetul Nobel a acordat a mult-așteptata premiul pentru fizică pentru Alain Aspect, John Clauser și Anton Zeilinger pentru pionieratul lor cercetarea întanglementării cuantice. Dar comunitatea cu siguranță nu s-a odihnit pe lauri și, cu atâtea alte evoluții interesante în 2022, este greu să alegi doar câteva momente importante. Cu toate acestea, iată câteva rezultate care s-au remarcat pentru noi în domeniile detecției cuantice, informațiilor cuantice, calculului cuantic, criptografiei cuantice și științei cuantice fundamentale.
În mecanica cuantică, principiul delocalizării afirmă că o particulă cuantică poate fi, într-un anumit sens, ondulată manual, în mai multe locuri simultan. Între timp, principiul întanglementării afirmă că particulele cuantice experimentează o conexiune care permite condiției unei particule să o determine pe cea a alteia, chiar și pe distanțe mari. În noiembrie, fizicienii de la JILA din Colorado, SUA, au folosit o combinație de încurcare și delocalizare pentru a suprima zgomotul care anterior făcuse imposibilă sesizarea accelerațiilor sub așa-numita limită cuantică. Această limită este stabilită de zgomotul cuantic al particulelor individuale și a fost mult timp o constrângere semnificativă asupra preciziei senzorilor cuantici. Depășirea acesteia este, așadar, un pas important înainte.
Trimiterea de informații cuantice de la un nod dintr-o rețea la altul nu este ușoară. Dacă codificați informația în fotoni trimiși pe o fibră optică, pierderile din fibră distrug fidelitatea semnalului până când acesta devine ilizibil. Dacă folosești în schimb întanglementul cuantic pentru a teleporta informația direct, introduci și alte procese care, din păcate, degradează și semnalul. Adăugarea unui al treilea nod în rețea, ca fizicieni de la QuTech din Olanda a făcut în 2021, doar face sarcina mai dificilă. De aceea este atât de impresionant că cercetătorii QuTech și-au urmărit succesul anterior teleportând informații cuantice de la un emițător (Alice) la un receptor (Charlie) printr-un nod intermediar (Bob). Deși fidelitatea transmisiei Alice-Bob-Charlie a fost de numai 71%, aceasta este mai mare decât limita clasică de 2/3, iar realizarea acesteia a necesitat cercetătorilor să combine și să optimizeze mai multe experimente provocatoare. Nodurile Dave, Edna și Fred se vor alătura rețelei în 2023? Vom vedea!
În cazul în care nu a fost clar din primele două puncte importante din această listă, zgomotul este o problemă uriașă în știința cuantică. Acest lucru este la fel de valabil pentru calcul, precum și pentru detectarea și comunicare, motiv pentru care corectarea acestor erori induse de zgomot este atât de importantă. Fizicienii au făcut mai multe progrese pe acest front în 2022, dar una dintre cele mai semnificative a avut loc în mai, când cercetătorii de la Universitatea Innsbruck, Austria și Universitatea RWTH Aachen din Germania au demonstrat pentru prima dată un set complet de operațiuni cuantice tolerante la erori. Calculatorul lor cuantic cu capcană de ioni folosește șapte qubiți fizici pentru a face fiecare qubit logic, plus qubiți „de semnalizare” pentru a semnala prezența erorilor periculoase în sistem. În mod esențial, versiunea corectată de erori a sistemului a funcționat mai bine decât cea mai simplă necorectată, ilustrând posibilitățile tehnicii.
Securitatea informațiilor este USP-ul criptografiei cuantice, dar informațiile sunt la fel de sigure ca și cea mai slabă verigă a lanțului. În distribuția de chei cuantice (QKD), o potențială verigă slabă sunt dispozitivele folosite pentru a trimite și primi cheile, care sunt vulnerabile la hack-urile convenționale (cum ar fi cineva care intră într-un nod și modifică sistemul), chiar dacă cheile în sine sunt protejate împotriva cele cuantice. O alternativă este să utilizați QKD independent de dispozitiv (DIQKD), care utilizează măsurători ale inegalităților Bell în perechi de fotoni pentru a confirma că procesul de generare a cheilor nu a fost înșelat. În iulie, două grupuri independente de cercetători au demonstrat experimental DIQKD pentru prima dată – într-un caz, generând 1.5 milioane de perechi Bell încurcate pe o perioadă de opt ore și folosindu-le pentru a genera o cheie partajată cu o lungime de 95 884 de biți. Deși rata de generare a cheilor trebuie să fie mai mare pentru a face DIQKD practic pentru rețelele criptate din lumea reală, dovada principiului este uluitoare.
Celelalte particule încurcate din această listă de evidențieri sunt toate identice: fotoni încâlciți cu alți fotoni, ioni cu alți ioni, atomi cu alți atomi. Dar nu există nimic în teoria cuantică care să solicite acest tip de simetrie, iar o nouă clasă emergentă de tehnologii cuantice „hibride” se bazează de fapt pe amestecarea lucrurilor. Intră cercetători conduși de Armin Feist de la Institutul Max Planck pentru Științe Multidisciplinare din Germania, care au arătat în august că ar putea încurca un electron și un foton folosind un microrezonator optic în formă de inel și un fascicul de electroni de înaltă energie care trece inelul într-o tangentă. Tehnica are aplicații pentru un proces cuantic numit „vestire”, în care detectarea unei particule într-o pereche încurcată indică faptul că cealaltă particulă este disponibilă pentru utilizare într-un circuit cuantic – un exemplu excelent al modului în care progresele fundamentale de astăzi conduc inovațiile de mâine.
O pungă de ciudățenie cuantică
În sfârșit, așa cum este tradițional (am făcut-o de două ori, prin urmare este o tradiție), nicio listă de evidențieri cuantice nu este completă fără un semn din cap la tot ceea ce este ciudat și uluitor în domeniu. Așa că să auzim asta pentru cercetătorii americani care au folosit un procesor cuantic simulează teleportarea informațiilor printr-o gaură de vierme în spațiu-timp; un grup din Italia și Franța care a pus cifre grele asupra indistinguibilitatea fotonilor indistingubili; o echipă internaţională care a folosit încălcări cuantice ale cauzalităţii clasice pentru înțelegeți mai bine natura cauzei și efectului; și o pereche îndrăzneață de fizicieni de la Universitatea din Edinburgh, Marea Britanie, care au arătat că semnalele cuantice ar fi o modalitate bună pentru extratereștrii avansați din punct de vedere tehnologic pentru a stabili contactul peste distanțe interstelare. Mulțumesc că ai păstrat quantum ciudat!
