Майстер-рівняння для розвитку квантових технологій

У міру того, як розміри сучасних технологій зменшуються до нанорозмірів, дивні квантові ефекти – такі як квантове тунелювання, суперпозиція та заплутаність – стають помітними.

Це відкриває двері до нової ери квантових технологій, де квантові ефекти можуть бути використані. Багато повсякденних технологій регулярно використовують управління зі зворотним зв'язком; важливим прикладом є кардіостимулятор, який повинен відстежувати серцебиття користувача та подавати електричні сигнали для керування ним тільки тоді, коли це необхідно.

Але фізики ще не мають еквівалентного розуміння управління зворотним зв'язком на квантовому рівні.

Тепер фізики розробили "головне рівняння", яке допоможе інженерам зрозуміти зворотний зв'язок на квантовому рівні.

“Дуже важливо вивчити, як управління зі зворотним зв'язком може бути використане в квантових технологіях, щоб розробити ефективні та швидкі методи управління квантовими системами, щоб ними можна було керувати в реальному часі та з високою точністю”, - каже співавтор нового дослідження Бьорн Анбі-Андерссон, квантовий фізик з Лундського університету у Швеції.

Прикладом найважливішого процесу управління із зворотним зв'язком у квантових обчисленнях є квантова корекція помилок. Квантовий комп'ютер кодує інформацію на фізичних кубітах, які можуть бути фотонами світла або, наприклад, атомами. Але квантові властивості кубітів крихкі, тому існує ймовірність, що закодована інформація буде втрачена, якщо кубіти будуть порушені вібраціями або коливаннями електромагнітних полів. Це означає, що фізики повинні вміти виявляти та виправляти такі помилки, наприклад, за допомогою управління зі зворотним зв'язком. Така корекція помилок може бути реалізована шляхом вимірювання стану кубітів і, у разі виявлення відхилення від очікуваного, застосування зворотного зв'язку для його виправлення.

Але управління зі зворотним зв'язком на квантовому рівні є унікальною проблемою, саме через крихкість, яку фізики намагаються зменшити. Ця тендітна природа означає, що навіть процес зворотного зв'язку може зруйнувати систему. “Необхідно лише слабко взаємодіяти з вимірюваною системою, зберігаючи властивості, які ми хочемо використовувати”, - каже Аннбі-Андерссон.

Тому важливо розробити повне теоретичне розуміння квантового управління зі зворотним зв'язком, щоб встановити його фундаментальні обмеження. Але більшість поточних теоретичних моделей квантового управління зі зворотним зв'язком вимагають комп'ютерного моделювання, яке, зазвичай, дає кількісні результати лише конкретних систем. “Важко зробити спільні якісні висновки”, - каже Аннбі-Андерссон. “Ті деякі моделі, які можуть дати якісне розуміння, застосовні тільки до вузького класу систем, керованих зворотним зв'язком — цей тип зворотного зв'язку зазвичай називають лінійним зворотним зв'язком”.

Ручка та папір

Аннбі-Андерссон та його колеги розробили основне рівняння, назване "квантовим рівнянням Фоккера-Планка", яке дозволяє фізикам відстежувати еволюцію будь-якої квантової системи зі зворотним зв'язком у часі. “Рівняння може описувати сценарії, що виходять за рамки лінійного зворотного зв'язку”, - каже Аннбі-Андерссон. Зокрема, рівняння можна вирішити за допомогою ручки та паперу, а не покладатися на комп'ютерне моделювання.

Команда перевірила своє рівняння, застосувавши його до простої моделі зворотного зв'язку. Це підтвердило, що рівняння дає фізично обґрунтовані результати, а також продемонструвало, як можна збирати енергію у мікроскопічних системах, використовуючи управління зі зворотним зв'язком. “Рівняння є перспективною відправною точкою для майбутніх досліджень того, як можна маніпулювати енергією за допомогою інформації на мікроскопічному рівні”, - говорить Аннбі-Андерссон.

Зараз команда досліджує систему, яка використовує зворотний зв'язок для маніпулювання енергією у "квантових точках" - крихітних напівпровідникових кристалах розміром у мільярдні частки метра. "Важливим напрямом у майбутньому є використання рівняння як інструмент для винаходу нових протоколів зворотного зв'язку, які можуть бути використані у квантових технологіях”, - каже Аннбі-Андерссон.

Їхні результати були недавно опубліковані в журналі Physical Review Letters.