Kaaoksen pitäminen loitolla kvanttimaailmassa

Kvantti-informaation säilyttäminen on avainasemassa hyödyllisten kvanttilaskentajärjestelmien kehittämisessä. Mutta vuorovaikutuksessa olevat kvanttijärjestelmät ovat kaoottisia ja noudattavat termodynamiikan lakeja, mikä lopulta johtaa informaation menetykseen.

Fyysikot ovat jo pitkään tienneet oudosta poikkeuksesta, jota kutsutaan dynaamiseksi jäätymiseksi, kun tarkasti viritetyillä taajuuksilla ravistetut kvanttijärjestelmät kiertävät näitä lakeja. Mutta kuinka kauan tämä ilmiö voi viivästyttää termodynamiikkaa?

Cornellin fyysikot ovat uuden matemaattisen viitekehyksen kautta osoittaneet, että jäätynyt tila voidaan vakauttaa riittävän kauan, jotta siitä tulee hyödyllinen strategia informaation säilyttämiseksi kvanttijärjestelmissä. Tämä voi olla lupaava tapa ylläpitää koherenssia kvanttitietokoneissa, kun kubittien määrä skaalautuu miljooniin.

"Se on kuin kysyisi, miten voi välttää fysiikan lakien lopulta valtaamasta alaa?" sanoi Debanjan Chowdhury, fysiikan apulaisprofessori. "Tämä on ollut yksi suurimmista avoimista ongelmista kvanttimaailman monikappalejärjestelmien alalla."

Analyyttisten laskelmiensa avulla Chowdhury ja kaksi hänen tutkimusryhmänsä jäsentä havaitsivat, että vaikka kvanttijärjestelmiä voidaan ohjata säilyttämään informaatiota erittäin pitkiä aikoja – mahdollisesti lähestyen maailmankaikkeuden ikää – jäätynyt tila ei ole pysyvä ja väistämättä lämpenee erittäin harvinaisten kvanttiprosessien kautta.

"Tässä ilmiössä on jotain erityistä", Chowdhury sanoi. "Se ei kestä ikuisesti, mutta nyt voimme laskea tarkasti, kuinka kauan suojaus kestää. Aikaskaalat ovat eksponentiaalisesti pitkiä aiheen tekijän läsnä ollessa. Informaatio voidaan säilyttää erittäin, erittäin pitkän ajan."

Järjestelmä ei kuitenkaan pysy luonnostaan jähmettyneenä itsestään ja tutkimus osoittaakin teoreettisesti, miten koherenssi lopulta häviää.

"Useimmiten järjestelmä pysyy vakaana, mutta silloin tällöin se tekee äkillisen kvanttihypyn eri tilaan", Haoyu Guo sanoi. "Kuvittele pallo, joka seisoo hiljaa laaksossa ja ilmestyy odottamatta seuraavaan laaksoon – ei vierimällä ylämäkeen, vaan kulkemalla itse vuoren läpi, mikä on mahdollista vain kvanttifysiikan avulla."

Chowdhuryn mukaan jatkuva jaksollinen käyttö tarkasti viritetyillä taajuuksilla aiheuttaa hienovaraisen kvanttimekaanisen prosessien peruuntumisen, mikä johtaa kaaokseen ja tutkimuksen tulos on kuin kvanttikaaoksen melua vaimentavat kuulokkeet.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttisimulaatio: kollektiivisten ilmiöiden näkyvyyden parantaminen