Kaksi kubittia ja kvanttifysiikka uusiksi

EPFL:n fyysikot ovat todentaneet tiukan suhteen kvanttilomittumisen ja aalto-partikkeli kaksinaisuuden välillä, mikä osoittaa, että edellinen ohjaa jälkimmäistä kvanttijärjestelmässä.

"Perusfysiikan kokeita on nyt mahdollista tehdä etäyhteydellä IBM Q-kvanttitietokoneella", sanoo fyysikko Marc-André Dupertuis, EPFL:stä. Hän ja kollegansa tutkivat järjestelmää, joka koostui kahdesta erillisestä kvanttielementistä, joita edustaa IBM Q suprajohtavina kvanttibitteinä.

"Pystyimme epäsuorasti vahvistamaan, että kunkin kvanttibitin kaksinaisuus voidaan kytkeä kokonaan pois päältä tai asettaa haluamaasi määrään säätämällä parin lomittumisastetta", Dupertuis sanoo.

Tämän idean perusteet julkaisi vuonna 2010 fyysikot Matthias Jakobin ja János Bergoun tutkimuspaperissa jossa korostettiin, että kunkin järjestelmän aalto-partikkeli dualiteettia ohjataan tosiasiassa tiiviisti niiden keskinäisen lomittumisen kautta. Kuitenkin tämä ajatus pysyi ilman kokeellista todistusta yli vuosikymmenen ajan.

Kunnes kvanttitekniikka tuli Internetiin. "IBM Q -kvanttitietokoneella olemme kokeellisesti todenneet ensimmäistä kertaa suhteen, joka sitoo tiukasti kvanttilomittumisen ja aalto-partikkelien kaksinaisuuden toisiinsa", Dupertuis sanoo.

Myös Aalto-yliopiston dosentti Sorin Paraoanun johtama tutkijatiimi on mallintanut kvanttitietokoneen avulla uudenlaisia ilmiöitä. Atomitason kvanttifysiikan hermiittiset Hamiltonin operaattorit ovat olleet lähes sadan vuoden ajan kvanttifysiikan kivijalka. Viime aikoina teoreetikot ovat kuitenkin ymmärtäneet, että tätä perustaa on mahdollista laajentaa hyödyntämällä operaattoreita, jotka eivät ole hermiittisiä.

Nämä kvanttifysiikan uudet yhtälöt kuvaavat maailmankaikkeutta, jolla on aivan omat erityiset sääntönsä. Sorin Paraoanun johtama tutkijatiimi mallinsi kvanttitietokoneen avulla maailmankaikkeuden, joka käyttäytyy näiden uusien mallien mukaan.

Tutkijat käyttivät tutkimuksessaan kubitteja ja saivat kokeellisesti aikaan tuloksia, joita kvanttimekaniikassa ei aiemmin ole pidetty mahdollisina. Tutkimus laajentaa ymmärrystä kvanttimekaniikan rajoista.

Ensimmäinen tulos oli, että perinteisen kvanttiteorian vastaisesti kvantti-informaatio ei säilynyt tietyissä kubittien operaatioissa. Tämä voi auttaa selittämään vielä ratkaisemattomia ongelmia.

Tutkijat tarkastelivat myös kahta toisiinsa lomittunutta kubittia. Perinteisesti niiden välisen lomittumisen astetta ei voi muuttaa molempiin kajoamatta. Uusien mallien valossa tutkijat saattoivat sen sijaan muuttaa kubittien lomittuneisuuden astetta muokkaamalla vain yhtä kubiteista, mitä ei kvanttifysiikassa ole aikaisemmin pystytty osoittamaan.

”Kvanttitietokoneet ovat nyt kehittyneet riittävän pitkälle, että niillä voidaan kokeellisesti testata matemaattisia ja epätavanomaisia teorioita.

Useat viime aikoina kehitetyt optiset tai mikroaaltoihin perustuvat kvanttilaitteet toimivat näiden uusien mallien mukaan. Nyt julkaistu tutkimus voi tarkoittaa, että näitä laitteita voitaisiin simuloida kvanttitietokoneella.

Sellaisia laitteita olisivat muun muassa optiset aaltojohteet, polarisoidut fotonit, suprajohtavat piirit, mekaaniset oskillaattorit, typpivakanssikeskukset timantissa ja kuituoptiset verkot.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttirajoja hätistellen

Kvanttilaskentaa viritellen