Кубиты используют 30 метров, чтобы подтвердить, что Эйнштейн ошибался насчет квантов

Новый эксперимент использует сверхпроводящие кубиты, чтобы доказать, что квантовая механика нарушает так называемый локальный реализм, позволяя двум объектам вести себя как одна квантовая система, независимо от того, насколько велико их расстояние. Этот эксперимент — не первый, показывающий, что локальный реализм — это не то, как устроена Вселенная, — это не первый эксперимент с кубитами.

Но они первыми разделили кубиты на достаточное расстояние, чтобы гарантировать, что свет не будет достаточно быстрым, чтобы перемещаться между ними во время измерений. Он сделал это, охладив 30-метровую алюминиевую проволоку до нескольких милликельвинов. Поскольку кубиты так легко контролировать, эксперимент обеспечивает новую точность для этих типов измерений. И подготовка оборудования может иметь важное значение для будущих усилий по квантовым вычислениям.

Реальность о реализме

Известно, что Альберту Эйнштейну не нравились некоторые последствия квантовой запутанности. Если квантовая механика верна, то пара запутанных объектов будет вести себя как единая квантовая система независимо от расстояния между ними. Изменение состояния одного из них должно мгновенно изменить состояние второго, поскольку кажется, что изменение происходит быстрее, чем возможность прохождения света между двумя объектами. Это почти наверняка неверно, утверждал Эйнштейн.

На протяжении многих лет люди предлагали различные версии так называемых скрытых переменных — физических свойств, которые являются общими для объектов, обеспечивая поведение, подобное запутанности, сохраняя локализованной информацию, которая диктует это поведение. Скрытые переменные поддерживают то, что называется «локальным реализмом», но оказывается, что на самом деле они не описывают нашу реальность.

Физик Джон Белл показал, что все схемы для локальных переменных ограничивают степень, в которой поведение квантовых объектов может быть связано. Но квантовая механика ожидает, что корреляции будут еще выше. Измеряя поведение пар запутанных частиц, мы можем определить, нарушают ли они уравнения Белла, и тем самым ясно доказать, что скрытые переменные не объясняют их поведение.

Первоначальные шаги к этой демонстрации были плохими для скрытых переменных, но допускали лазейки — хотя неравенство Белла было нарушено, все же могло случиться так, что информация перемещается между квантовыми объектами со скоростью света. Но за последние несколько десятилетий лазейки постепенно закрылись, и Нобелевские премии были вручены.

Так зачем возвращаться к экспериментам? Отчасти потому, что кубиты дают нам большой контроль над системой, позволяя нам быстро проводить большое количество экспериментов и исследовать поведение этой запутанности. И отчасти потому, что это представляет интересную техническую задачу. Сверхпроводящие кубиты контролируются микроволновым излучением, и их запутывание требует перемещения между ними нескольких очень низкоэнергетических микроволновых фотонов. И сделать это так, чтобы окружающий шум не портил все вокруг, — серьезная задача.

Страшное действие на 30 метров

Нарушение неравенства Белла — это относительно простой вопрос многократного измерения запутанных частиц и демонстрации корреляции их состояний. Если эта корреляция превышает критическое значение, то мы знаем, что скрытые переменные не могут объяснить такое поведение. А сверхпроводящие кубиты, называемые транслатами, сделаны так, чтобы измерение было тривиальным, точным и быстрым. Итак, эта часть проста.

Устранение одного из основных пробелов в этих измерениях становится сложной задачей. Вам нужно показать, что корреляция в измерениях не может быть опосредована информацией, распространяющейся со скоростью света. Поскольку измерения требуют так мало времени, это означает, что вы должны разделить два кубита на достаточное расстояние, чтобы измерение могло быть завершено до того, как свет пройдет между ними. Основываясь на том, сколько времени занимают измерения, исследовательская группа, работающая над новой работой, работающая в ETH Zürich, подсчитала, что 30 метров будет достаточно.

Хотя это всего лишь коридор в другом здании лаборатории, 30 метров довольно сложно из-за процесса запутывания, который включает использование низкоэнергетических микроволновых фотонов, которые легко могут быть потеряны в море шума окружающей среды. На практике это означает, что все, что связано с этими фотонами, должно оставаться при тех же милликельвиновых температурах, что и сами кубиты. Поэтому 30-метровый алюминиевый провод, служащий волноводом для микроволн, должен быть охлажден до долей градуса выше абсолютного нуля.

На практике это означало, что вся сборка, предназначенная для обеспечения доступа к проводу, должна быть снабжена системами охлаждения с жидким гелием, содержащими кубиты на каждом конце, и построена отдельная система охлаждения в центральной точке 30-метровой трубы. Системе также требовались гибкие внутренние соединения и внешние опоры, потому что все это экспоненциально сжимается при охлаждении.

Однако все получилось замечательно. Благодаря производительности кубитов исследователи могут провести более миллиона отдельных экспериментов всего за 20 минут. Полученные корреляции оказались выше предела, установленного уравнениями Белла, на целых 22 стандартных отклонения. Другими словами, p-значение результата было меньше 10.^-108.

Предстоящие дела?

Двумя основными факторами, ограничивающими производительность системы, являются ошибки в кубитах и ​​потеря фотонов, используемых при их запутывании. Исследователи считают, что они могут улучшить и то, и другое, потенциально сделав кубиты самым строгим тестом на неравенства Белла. Но работа может стать более важной из-за того, как запутываются кубиты.

Все, кто работает со сверхпроводящими кубитами, говорят, что со временем нам нужно будет объединить тысячи из них в единый квантовый компьютер. К сожалению, каждый из этих кубитов требует много места на чипе, а это означает, что сложно сделать чипы, содержащие более нескольких сотен кубитов. Таким образом, крупные игроки, такие как Google и IBM, в конечном итоге планируют связать несколько чипов с одним компьютером (что уже делает стартап Rigetti).

Однако для десятков тысяч бит нам определенно понадобилось бы столько чипов, что было бы сложно удержать их все в одном более холодном бите. Это означает, что в конечном итоге мы захотим подключить чипы к разным системам охлаждения — именно то, что показано здесь. Так что это важная демонстрация того, что мы действительно можем соединять кубиты в этих типах систем.

Природа, 2023. DOI: 10.1038/с41586-023-05885-0 (о DOI).