У жовтні квантові фізики святкували, коли Нобелівський комітет присудив а довгоочікуваний премію з фізики Алену Аспекту, Джону Клаузеру та Антону Цайлінгеру за їх новаторство дослідження квантової заплутаності. Але спільнота точно не зупинялася на лаврах, і з такою кількістю інших захоплюючих подій у 2022 році важко виділити лише кілька основних моментів. Тим не менш, ось деякі результати, які виділялися для нас у сферах квантового зондування, квантової інформації, квантових обчислень, квантової криптографії та фундаментальної квантової науки.
У квантовій механіці принцип делокалізації стверджує, що квантова частинка може, у певному розумінні хвилі, перебувати в кількох місцях одночасно. Тим часом принцип заплутаності стверджує, що квантові частинки відчувають зв’язок, який дозволяє стану однієї частинки визначати стан іншої, навіть на величезних відстанях. У листопаді фізики з JILA в Колорадо, США, використали комбінацію заплутування та делокалізації, щоб придушити шум, який раніше унеможливлював відчуття прискорень нижче так званої квантової межі. Ця межа встановлюється квантовим шумом окремих частинок, і вона вже давно є суттєвим обмеженням на точність квантових датчиків. Тому її подолання є великим кроком вперед.
Надсилати квантову інформацію від одного вузла мережі до іншого нелегко. Якщо ви кодуєте інформацію у фотонах, що надсилаються оптичним волокном, втрати у волокні з’їдають точність сигналу, поки він не стане нечитабельним. Якщо ви натомість використовуєте квантову заплутаність для прямої телепортації інформації, ви запроваджуєте інші процеси, які, на жаль, також погіршують сигнал. Додавання третього вузла до мережі, як фізики QuTech у Нідерландах зробив у 2021 році, лише ускладнює завдання. Ось чому так вражає те, що дослідники QuTech продовжили свій попередній успіх, телепортувавши квантову інформацію від відправника (Аліса) до отримувача (Чарлі) через проміжний вузол (Боб). Хоча точність передачі Аліса-Боб-Чарлі становила лише 71%, що вище класичного ліміту 2/3, і для його досягнення дослідникам потрібно було поєднати та оптимізувати кілька складних експериментів. Чи приєднаються вузли Dave, Edna та Fred до мережі у 2023 році? Ми побачимо!
Якщо це не було зрозуміло з перших двох основних моментів у цьому списку, шум є величезною проблемою в квантовій науці. Це так само вірно для обчислень, як і для зондування та зв’язку, тому виправлення цих помилок, викликаних шумом, є таким важливим. Зробили фізики кілька авансів на цьому фронті в 2022 році, але одна з найважливіших сталася в травні, коли дослідники з Університету Інсбрука, Австрія, і RWTH Аахенського університету в Німеччині вперше продемонстрували повний набір відмовостійких квантових операцій. Їхній квантовий комп’ютер із іонною пасткою використовує сім фізичних кубітів для створення кожного логічного кубіта, а також кубіти «прапорці», які сигналізують про наявність небезпечних помилок у системі. Важливо те, що версія системи з виправленням помилок працювала краще, ніж простіша невиправлена, що демонструє можливості техніки.
Інформаційна безпека є USP квантової криптографії, але інформація настільки безпечна, наскільки безпечна найслабша ланка в ланцюжку. У квантовому розподілі ключів (QKD) однією потенційно слабкою ланкою є пристрої, що використовуються для надсилання та отримання ключів, які вразливі до звичайних хакерів (наприклад, хтось зламує вузол і втручається в систему), навіть якщо самі ключі захищені від квантові. Однією з альтернатив є використання апаратно-незалежної QKD (DIQKD), яка використовує вимірювання нерівностей Белла в парах фотонів, щоб підтвердити, що процес генерації ключів не був підроблений. У липні дві незалежні групи дослідників вперше експериментально продемонстрували DIQKD – в одному випадку шляхом генерації 1.5 мільйона заплутаних пар Bell протягом восьми годин і використання їх для генерації спільного ключа довжиною 95 884 біт. Хоча швидкість генерації ключів має бути вищою, щоб зробити DIQKD практичним для реальних зашифрованих мереж, доказ принципу приголомшливий.
Усі інші заплутані частинки в цьому списку ідентичні: фотони, переплутані з іншими фотонами, іони з іншими іонами, атоми з іншими атомами. Але в квантовій теорії немає нічого, що вимагало б такої симетрії, і новий клас «гібридних» квантових технологій, що з’являється, насправді базується на змішуванні речей. Входять дослідники на чолі з Армін Файст з Інституту мультидисциплінарних наук Макса Планка в Німеччині, які в серпні показали, що вони можуть сплутати електрон і фотон за допомогою кільцевого оптичного мікрорезонатора та пучка високоенергетичних електронів, який проходить через кільце по дотичній. Методика має застосування для квантового процесу під назвою «провісник», у якому виявлення однієї частинки в заплутаній парі вказує на те, що інша частинка доступна для використання в квантовій ланцюзі — чудовий приклад того, як сьогоднішні фундаментальні досягнення стимулюють інновації завтрашнього дня.
Сумка квантової дивацтва
Нарешті, як традиційно (ми це зробили двічі, отже це традиція), жоден список квантових моментів не є повним, якщо не звернути увагу на все, що є дивним і карколомним у цій галузі. Отже, давайте послухаємо це для американських дослідників, які використовували для цього квантовий процесор імітувати телепортацію інформації через червоточину в просторі-часі; група в Італії та Франції, яка поставила жорсткі цифри на нерозрізнення нерозрізнених фотонів; міжнародна команда, яка використовувала квантові порушення класичної причинності, щоб краще зрозуміти природу причини і наслідку; і безстрашна пара фізиків з Единбурзького університету, Велика Британія, які показали, що квантові сигнали були б хорошим засобом для технологічно розвинених інопланетян для встановлення контакту через міжзоряні відстані. Дякуємо, що зберігаєте quantum weird!
