Kvantové technológie roky brzdil zložitý problém. Vedci teraz ukázali jednoduchší spôsob, ako vytvárať stavy, ktoré môžu rozhodnúť o budúcnosti senzorov aj počítačov.
Nová metóda tvorby silno previazaných kvantových stavov môže zjednodušiť vývoj kvantových senzorov aj počítačov. Vedcom stačia technológie, ktoré už majú v laboratóriách.
Kvantové počítače a extrémne presné senzory patria medzi technológie, od ktorých si vedci sľubujú veľké veci. Problém však dlhé roky spočíval v jednej veci, výskumníci síce poznali množstvo teoretických možností, no vytvorenie zložitých kvantových stavov si často vyžadovalo komplikované zariadenia, drahé vybavenie a veľmi presné nastavenia.
Tím z Univerzity v Chicagu teraz predstavil riešenie, ktoré pôsobí prekvapivo jednoducho. Vedci navrhli nový spôsob tvorby vysoko prepojených kvantových stavov pomocou technológií, ktoré sa už dnes nachádzajú v mnohých laboratóriách po celom svete. Výsledky publikoval odborný časopis Physical Review X.
Výskumníci sa v práci zamerali na zvláštny stav kvantového previazania
Celý výskum sa točí okolo javu nazývaného kvantové previazanie. Ide o jeden z najzvláštnejších javov modernej fyziky. Dve alebo viac častíc sa pri previazaní správajú ako jeden systém, čo znamená, že ak sa zmení stav jednej častice, druhá na zmenu reaguje bez ohľadu na vzdialenosť. Práve táto vlastnosť stojí za mnohými plánovanými kvantovými technológiami.
Vedci sa preto už roky snažia vytvoriť čo najzložitejšie a najstabilnejšie previazané stavy. Čím sú tieto stavy kvalitnejšie, tým presnejšie merania alebo výkonnejšie výpočty umožnia. Doteraz však podobné experimenty často narážali na technické limity.
„Chceli sme vziať jednoduché ingrediencie, ktoré nájdeš v mnohých fyzikálnych platformách, a poskladať ich minimálnym spôsobom tak, aby vzniklo niečo zaujímavé, komplexné a výkonné,“ vysvetlil vedúci výskumu Aashish Clerk.
Vedci vychádzali zo systému známeho ako cavity QED. Ide o komoru vytvorenú dvojicou zrkadiel, v ktorej sa nachádzajú atómy. Svetlo uväznené medzi zrkadlami následne interaguje s atómami a vytvára špecifické kvantové podmienky.
Neprehliadni
Práve tu sa však dlhé roky objavoval problém, cez ktorý sa vedci nevedeli dostať, väčšina atómov reagovala na svetlo úplne rovnako. Z pohľadu systému teda boli prakticky nerozoznateľné a takáto symetria výrazne obmedzila počet kvantových stavov, ktoré sa dali vytvoriť.
Výskumný tím preto prišiel s jednoduchým nápadom. Pomocou magnetického poľa alebo dodatočných laserov mierne upravil energetické hladiny jednotlivých skupín atómov. Niektoré atómy získali vyššiu energiu, iné naopak nižšiu, vďaka čomu prestali byť identické. Druhou výhodou nového procesu bolo, že vedci nemuseli meniť samotné zariadenie. Stačilo upraviť nastavenie laserov.
„Jednoduchou úpravou laserov získame prístup ku kvantovým stavom, o ktorých predtým nikto neuvažoval,“ uviedol hlavný autor štúdie Anjun Chu.
Vďaka novým senzorom dokázali autori zachytiť aj nepatrné rozdiely
Jednou z najzaujímavejších oblastí využitia sú kvantové senzory. Takéto zariadenia by mohli merať extrémne malé rozdiely v magnetických alebo gravitačných poliach. Práve v tom spočíva veľká výzva súčasnej fyziky. Problém totiž spočíva v tom, že kvantové stavy bývajú veľmi citlivé. Dokáže ich narušiť aj relatívne malé množstvo šumu z okolia.
Nový návrh ukázal, že systém dokáže zachovať vysokú citlivosť na hľadaný signál a zároveň ignorovať veľkú časť rušivých vplyvov z prostredia. Predstaviť si môžeme napríklad dvojicu senzorov umiestnených na rôznych miestach. Ak sa medzi nimi objaví malý rozdiel v gravitácii alebo magnetickom poli, kvantový stav systému na zmenu zareaguje. Bežný šum, ktorý zasiahne obe zariadenia rovnako, však výsledok výraznejšie neovplyvní.
„Dokážeme spojiť dve vlastnosti, ktoré si zvyčajne odporujú. Získame mimoriadne citlivý senzor založený na previazaní a zároveň vysokú odolnosť voči šumu,“ povedal Clerk.
Práve táto kombinácia patrí medzi najväčšie prekážky vývoja kvantových senzorov.
Výskumníci objavili ešte jednu zaujímavú možnosť. Nová metóda dokáže vytvoriť takzvaný AKLT stav. Ide o špeciálny kvantový stav, ktorý fyzici poznajú už od 80. rokov minulého storočia. Pôvodne pomohol pri vysvetlení správania niektorých exotických magnetických materiálov, dnes však odborníci spájajú tento stav aj s budúcim vývojom kvantových počítačov.
Zatiaľ ide len o teoretický návrh. Výskumníci už však rokujú s experimentálnymi tímami, ktoré by mohli systém otestovať v praxi. Ak sa výsledky potvrdia aj v laboratóriách, fyzici získajú nový nástroj na tvorbu zložitých kvantových stavov bez potreby extrémne komplikovaných zariadení. To ešte neznamená príchod univerzálnych kvantových počítačov, no podobné objavy často posunú celý odbor o ďalší krok dopredu a otvoria nové možnosti výskumu.
