Kvantni fiziki so oktobra praznovali, ko je Nobelov odbor podelil a dolgo pričakovano nagrado za fiziko Alainu Aspectu, Johnu Clauserju in Antonu Zeilingerju za njihovo pionirstvo raziskave kvantne prepletenosti. Toda skupnost zagotovo ni spala na lovorikah in ob toliko drugih razburljivih dogodkih v letu 2022 je težko izbrati le nekaj vrhuncev. Kljub temu je tu nekaj rezultatov, ki so za nas izstopali na področjih kvantnega zaznavanja, kvantnih informacij, kvantnega računalništva, kvantne kriptografije in temeljne kvantne znanosti.
V kvantni mehaniki načelo delokalizacije navaja, da je lahko kvantni delec v nekem ročno valovitem smislu na več mestih hkrati. Načelo prepletenosti medtem navaja, da kvantni delci doživljajo povezavo, ki omogoča, da stanje enega delca določa stanje drugega, tudi na velikih razdaljah. Novembra so fiziki pri JILA v Koloradu v ZDA uporabili kombinacijo zapletanja in delokalizacije za zatiranje hrupa, ki je prej onemogočal zaznavanje pospeškov pod tako imenovano kvantno mejo. Ta meja je določena s kvantnim šumom posameznih delcev in je že dolgo pomembna omejitev za natančnost kvantnih senzorjev. Njeno premagovanje je torej velik korak naprej.
Pošiljanje kvantnih informacij iz enega vozlišča v omrežju v drugega ni preprosto. Če kodirate informacije v fotone, poslane po optičnem vlaknu, izgube v vlaknu zmanjšajo zanesljivost signala, dokler ne postane neberljiv. Če namesto tega uporabite kvantno prepletenost za neposredno teleportacijo informacij, uvedete druge procese, ki, žal, prav tako poslabšajo signal. Dodajanje tretjega vozlišča v omrežje, kot fiziki pri QuTech na Nizozemskem naredil leta 2021, samo oteži nalogo. Zato je tako impresivno, da so raziskovalci QuTecha sledili svojemu prejšnjemu uspehu s teleportiranjem kvantnih informacij od pošiljatelja (Alice) do prejemnika (Charlie) prek vmesnega vozlišča (Bob). Čeprav je bila zvestoba prenosa Alice-Bob-Charlie le 71-odstotna, je to več kot klasična meja 2/3, za njeno doseganje pa so raziskovalci morali združiti in optimizirati več zahtevnih eksperimentov. Se bodo vozlišča Dave, Edna in Fred pridružila omrežju leta 2023? Bomo videli!
Če iz prvih dveh poudarkov na tem seznamu ni bilo jasno, je hrup velik problem v kvantni znanosti. To velja tako za računalništvo kot za zaznavanje in komunikacijo, zato je popravljanje teh napak, ki jih povzroča hrup, tako pomembno. Fiziki so naredili več napredkov na tej fronti leta 2022, vendar je eden najpomembnejših prišel maja, ko so raziskovalci na Univerzi v Innsbrucku v Avstriji in Univerzi RWTH Aachen v Nemčiji prvič prikazali celoten nabor kvantnih operacij, odpornih na napake. Njihov kvantni računalnik z ionsko pastjo uporablja sedem fizičnih kubitov za izdelavo vsakega logičnega kubita in kubite z "zastavicami", ki signalizirajo prisotnost nevarnih napak v sistemu. Bistveno je, da je različica sistema s popravljenimi napakami delovala bolje kot enostavnejša nepopravljena, kar ponazarja možnosti tehnike.
Informacijska varnost je USP kvantne kriptografije, vendar so informacije vedno tako varne, kot je varen najšibkejši člen v verigi. Pri kvantni distribuciji ključev (QKD) so ena potencialna šibka povezava naprave, ki se uporabljajo za pošiljanje in prejemanje ključev, ki so ranljive za običajne vdore (na primer, da nekdo vdre v vozlišče in posega v sistem), čeprav so sami ključi varni pred kvantne. Ena alternativa je uporaba od naprave neodvisnega QKD (DIQKD), ki uporablja meritve Bellovih neenakosti v fotonskih parih za potrditev, da postopek generiranja ključa ni bil zmoten. Julija sta dve neodvisni skupini raziskovalcev prvič eksperimentalno prikazali DIQKD – v enem primeru z generiranjem 1.5 milijona zapletenih parov Bell v obdobju osmih ur in njihovo uporabo za generiranje skupnega ključa, dolgega 95 884 bitov. Čeprav mora biti stopnja generiranja ključev višja, da bi bil DIQKD praktičen za šifrirana omrežja v resničnem svetu, je dokaz načela osupljiv.
Vsi drugi zapleteni delci na tem seznamu poudarkov so enaki: fotoni zapleteni z drugimi fotoni, ioni z drugimi ioni, atomi z drugimi atomi. Toda v kvantni teoriji ni ničesar, kar bi zahtevalo takšno simetrijo, in nastajajoči nov razred "hibridnih" kvantnih tehnologij se dejansko opira na mešanje stvari. Vnesite raziskovalce pod vodstvom Armin Feist z Inštituta Maxa Plancka za multidisciplinarne znanosti v Nemčiji, ki je avgusta pokazal, da lahko zapletejo elektron in foton z uporabo obročastega optičnega mikroresonatorja in žarka visokoenergijskih elektronov, ki gre skozi obroč pri tangenti. Tehnika ima aplikacije za kvantni proces, imenovan »oznanjevanje«, v katerem zaznavanje enega delca v zapletenem paru kaže, da je drugi delec na voljo za uporabo v kvantnem vezju – odličen primer, kako današnji temeljni napredek poganja jutrišnje inovacije.
Torba kvantne nenavadnosti
Končno, kot je tradicionalno (to smo storili dvakrat, torej je tradicija), noben seznam kvantnih vrhuncev ni popoln brez prikimavanja vsemu nenavadnemu in osupljivemu na tem področju. Torej, poslušajmo ameriške raziskovalce, ki so uporabili kvantni procesor simulirajo teleportacijo informacij skozi črvino v prostoru-času; skupina v Italiji in Franciji, ki je postavila trde številke na nerazločnost nerazločljivih fotonov; mednarodna ekipa, ki je uporabila kvantne kršitve klasične vzročnosti za bolje razumeti naravo vzroka in posledice; in neustrašen par fizikov z univerze v Edinburghu v Veliki Britaniji, ki sta pokazala, da bi bili kvantni signali dober način za tehnološko naprednih nezemljanov za vzpostavitev stika čez medzvezdne razdalje. Hvala, ker ohranjate Quantum Weird!
