Физики из Германии, Италии и США экспериментальным путем получили минимальное время, необходимое для перемещения атома из одного места в другое без изменения его квантового состояния. Результаты важны в том числе для определения предельного времени сложных операций в квантовых компьютерах. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X.
Нарушения, связанные с воздействием окружающей среды, ухудшают производительность квантовых компьютеров, поэтому один из способов снижения внешних эффектов — производить расчеты как можно быстрее. Но в квантовом мире тоже есть свои ограничения скорости — слишком быстрое выполнение вычислений приводит к потере информации.
Для простых двухуровневых квантовых систем, таких как электрон, который может иметь два направления вращения, теоретический предел скорости был предсказан двумя советскими физиками Леонидом Мандельштамом и Игорем Таммом более 60 лет назад. Они показали, что максимальная скорость квантового процесса зависит от неопределенности энергии, то есть от того, насколько "свободна" управляемая частица по отношению к ее возможным энергетическим состояниям: чем больше у нее энергетической свободы, тем быстрее она может перемещаться.
Однако некоторые квантовые технологии, такие как атомные интерферометры, требуют, чтобы система перемещалась между многими квантовыми состояниями. Ограничения скорости таких многоуровневых систем до сих пор не были предсказаны или измерены.
Исследователи из Боннского университета вместе с коллегами из Массачусетского технологического института, университетов Гамбурга, Кельна и Падуи экспериментально выяснили, где именно находится этот предел. Для этого они использовали атом цезия и два лазерных луча, идеально наложенных друг на друга в противоположных направлениях. Такая суперпозиция, которую физики называют интерференцией, создала стоячую световую волну — последовательность возвышенностей и долин, которые никуда не двигаются.
"Мы загрузили атом в одну из этих долин, а затем привели в движение стоячую волну — это сместило положение самой долины, — приводятся в пресс-релизе Боннского университета слова руководителя исследования доктора Андреа Альберти (Andrea Alberti) из Института прикладной физики. — Наша цель состояла в том, чтобы доставить атом в нужное место в кратчайшие сроки, не выплеснув его из долины, образно говоря".
По словам авторов, чем глубже долина, в которой захвачен атом цезия, тем больше разброс энергий квантовых состояний в долине и, в конечном итоге, тем быстрее может переноситься атом. Однако энергетическая свобода частицы не может быть увеличена произвольно.
"Мы не можем сделать нашу долину бесконечно глубокой, это стоило бы нам слишком большого количества энергии, — объясняет Альберти. — Достичь ограничения Мандельштама — Тамма можно только в системах с двумя квантовыми состояниями: например, когда пункт отправления и пункт назначения очень близки друг к другу. Тогда материальные волны атома в обоих местах перекрываются и он может быть доставлен прямо к месту назначения за один раз, то есть без каких-либо промежуточных остановок, как телепортация".
Но когда расстояние увеличивается до нескольких десятков значений ширины волны, телепортация невозможна. В этом случае частица, чтобы достичь своего конечного пункта назначения, должна пройти несколько промежуточных состояний, и двухуровневая система становится многоуровневой.
Исследование показывает, что к таким процессам применим более низкий предел скорости, чем предсказывали два советских физика: он определяется не только неопределенностью энергии, но и числом промежуточных состояний, а его достижение связано не с максимальной скоростью, а с серией ускорений и замедлений.
Используя схемы с постоянной и переменной скоростью, авторы смогли перенести атомы цезия на расстояние 0,5 микрометра со скоростью примерно 17 миллиметров в секунду. При более высоких скоростях точность воспроизведения резко падала.
Ученые отмечают, что их выводы важны для квантовых вычислений и реализации проектов по созданию квантовых компьютеров, которые основаны на манипулировании многоуровневыми системами. Квантовые состояния очень хрупкие, они длятся лишь короткий промежуток времени, который физики называют временем когерентности. Поэтому важно упаковать в это время как можно больше вычислительных операций.
"Наше исследование показывает максимальное количество операций, которые мы можем выполнить за время когерентности. Это позволяет оптимально использовать его", — заключает Альберти.
По информации https://ria.ru/20210220/atom-1598322743.html
Обозрение "Terra & Comp".
