Kvantna korekcija napak bi lahko pomagala astronomom pri slikanju zvezd

Vesolje ni studio: pri proučevanju zvezd astronomi nimajo nadzora nad predmeti, ki jih poskušajo slikati. Namesto tega se zanašajo na izboljšave teleskopov in analiznih tehnik za ustvarjanje slik z višjo ločljivostjo iz kakršne koli svetlobe, ki jo prejmejo, ne glede na to, ali je šibka ali hrupna. Zdaj je skupina znanstvenikov predlagala način uporabe kvantne korekcije napak za boj proti hrupu v svetlobi zvezd, ki jo ujamejo teleskopi. Po mnenju ekipe bi lahko celo najpreprostejši protokoli za odpravljanje napak, ki se izvajajo na kvantnih napravah za bližnjo uporabo, ponudili pomembno prednost za astronomsko slikanje.

Ločljivost slike je običajno omejena z uklonom. Tehnike kvantnega zaznavanja lahko presežejo to mejo, če je mogoče slikani predmet manipulirati ali osvetliti, vendar to v astronomiji ni mogoče. Raziskovalci z Univerze Macquarie v Avstraliji in Nacionalne univerze v Singapurju (NUS) pa so našli rešitev: pokazali so, da lahko kvantna korekcija napak zaščiti krhko ujeto zvezdno svetlobo pred degradacijo zaradi neželenih interakcij z okoljem.

Alice in Bob prepišeta zvezde

Ideja za metodo, ki jo predlaga ekipa, je, da bi se informacije, ki jih prenaša svetloba zvezd, lahko razširile po velikem kvantnem sistemu v tako imenovani kodi za popravljanje napak. Tudi če imajo nekateri deli sistema napake, je mogoče iz preostalih rekonstruirati pravilne informacije.

Da bi razumeli, kako deluje nova tehnika, si predstavljajte dva astronoma, Alice in Boba. Oba imata teleskope, in če želita ustvariti jasnejšo sliko, kot je mogoče z vsakim teleskopom posebej, lahko združita svetlobo, ki jo zbereta z metodo, imenovano optična interferometrija. Načeloma velja, da bolj ko sta njuna teleskopa narazen, večjo ločljivost slike lahko dosežeta skupaj. Vendar pa v praksi hrup in izgube pri prenosu poslabšajo kakovost Alicinih in Bobovih signalov, kar omejuje, kako daleč sta lahko njuna teleskopa.

Ekipa Macquarie-NUS predlaga, da bi lahko kvantne tehnologije zaobšle to omejitev z zamenjavo fizične povezave (običajno optičnega vlakna) med teleskopskimi lokacijami z zapletenimi kubiti. Kubiti so sistemi, ki shranjujejo kvantne informacije, in ko so zapleteni, si stanja teh sistemov delijo korelacije, ki so močnejše od tistih, ki so dovoljene v klasičnih sistemih. Ko Alice in Bob prejmeta svetlobo na svojih teleskopih, interakcija svetlobe in snovi prenese informacije iz svetlobe v stabilno stanje njunih kubitov. Nato vsak uporabi ustrezne operacije za kubite, ki shranjujejo informacije o zvezdni svetlobi. Ker so njihovi kubiti prepleteni, se informacije shranijo v kvantno kodo za popravljanje napak znotraj večjega niza obeh njihovih kubitov.

»Nastalo stanje, ki sta si ga delila Alice in Bob, je zdaj … enakovredno svetlobi zvezd, ki je vstopila,« pojasnjuje Zixin Huang, glavni avtor članka v Pisni pregledi fizike o raziskavi. Ker se celotno stanje zvezdne svetlobe deli v zaščiteni obliki med Alicinimi in Bobovimi kubiti, je robusten na hrup iz okolja. Z izvajanjem posebnih meritev lahko Alice in Bob zaznata in nato popravita morebitne napake na svojih kubitih, preden pridobita informacije o svetlobi zvezd, ki jih nato uporabita za izdelavo svoje slike.

Eksperimenti s super ločljivostjo na obzorju

Raziskovalci so pokazali, da je ta tehnika kvantnega odpravljanja napak za slikanje koristna tudi pri kratkoročnih kvantnih napravah z raziskovanjem enega najpreprostejših protokolov za odpravljanje napak. V tem protokolu so informacije o zvezdni svetlobi shranjene v nizih treh enakih kubitov. To je znano kot koda ponavljanja, ker zaščita pred napakami izhaja iz dobesednega trikratnega ponavljanja informacij. Medtem ko večje kode zagotavljajo boljšo zaščito, je celo ta majhna koda nudila koristno zaščito pred prevladujočo vrsto napake. Poleg tega lahko za razliko od kvantnega računalništva, ki zahteva stopnje napak veliko manj kot 1 %, protokol za slikanje prenese stopnje napak do 50 % samo z uporabo kode za ponavljanje. Slikanje v »super ločljivosti«, ki presega mejo uklona, ​​je torej nepričakovan kratkoročni primer uporabe hrupnih kvantnih naprav, čeprav še vedno obstajajo tehnološki izzivi, preden lahko znanstveniki implementirajo različne dele protokola.

Kvantna korekcija napak debitira brez magnetnega polja

Ker ogrodje raziskovalcev omogoča uporabo tehnik kvantnega popravljanja napak pri kateri koli nalogi slikanja, pri kateri eksperimentator ne more pripraviti predmeta, bi lahko njegove aplikacije presegle astronomijo. "Ena od možnih aplikacij, o kateri razmišljamo nekateri od nas, je magnetometrija, kjer uporabljamo kvantno korekcijo napak za izboljšanje učinkovitosti kvantnih senzorjev za zaznavanje magnetnega polja," pojasnjuje Yingkai Ouyang, višji znanstveni sodelavec na NUS, ki je sodeloval pri delu. "Sodelujemo tudi z eksperimentalci pri implementaciji naših prejšnjih protokolov za slikanje v super ločljivosti na prave teleskope."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/quantum-error-correction-could-help-astronomers-image-stars/