Μια ομάδα θεωρητικών φυσικών στο RIKEN πρότεινε έναν νέο τρόπο για την επίτευξη μονόδρομου κβαντικού συγχρονισμού των φωνονίων, σωματιδίων που σχετίζονται με τον ήχο. Η μέθοδος ξεχωρίζει επειδή παραμένει εξαιρετικά αποτελεσματική ακόμη και ενόψει των πραγματικών προκλήσεων όπως οι κατασκευαστικές ατέλειες και ο περιβαλλοντικός θόρυβος.
Πολλές σύγχρονες τεχνολογίες βασίζονται σε εξαρτήματα που συμπεριφέρονται σαν μονόδρομοι. Αυτές οι συσκευές επιτρέπουν στα σωματίδια ή τα σήματα να κινούνται ελεύθερα προς μία κατεύθυνση και περιορίζουν πολύ την κίνηση προς την αντίθετη κατεύθυνση. Γνωστά ως μη παλινδρομικά στοιχεία, χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα μικροκυμάτων και οπτικών για τη μείωση των άμεσων σημάτων και των ανεπιθύμητων ανακλάσεων.
«Τα μη παλινδρομικά στοιχεία επιτρέπουν στο σήμα να ταξιδεύει κατά μήκος της επιθυμητής διαδρομής, ενώ διασπώνται έντονα προς την αντίθετη κατεύθυνση», σημειώνει ο Franco Nori του RIKEN Center for Quantum Computing (RQC). “Αυτή η ικανότητα βρίσκει εφαρμογές που κυμαίνονται από την επεξεργασία σήματος έως την απόκρυψη αορατότητας.”
Μονόδρομος κβαντικός συγχρονισμός
Οι ερευνητές προσπάθησαν εδώ και καιρό να δημιουργήσουν ένα σχετικό φαινόμενο που είναι γνωστό ως μη αμοιβαίος κβαντικός συγχρονισμός. Σε αυτή τη διαδικασία, δύο κβαντικά συστήματα συγχρονίζονται όταν οι πληροφορίες ρέουν προς μία κατεύθυνση, αλλά ο συγχρονισμός δεν συμβαίνει προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Παρά το μεγάλο ενδιαφέρον, η ανάπτυξη ενός πρακτικού τρόπου για να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα έχει αποδειχθεί δύσκολη. Οι προηγούμενες προτάσεις ήταν γενικά ευάλωτες σε διάφορους περιορισμούς που καθιστούν την υλοποίηση του πραγματικού κόσμου δύσκολη.
«Οι πρακτικές κβαντικές τεχνολογίες αντιμετωπίζουν κρίσιμες προκλήσεις από τυχαίες ατέλειες κατασκευής και περιβαλλοντικό θόρυβο», σημειώνει ο Adam Miranowicz, επίσης του RQC. “Αυτοί οι παράγοντες καταστέλλουν βαθιά — ή ακόμα και καταστρέφουν εντελώς — τις κβαντικές ιδιότητες σε συμβατικές μεθόδους.”
Νέες μέθοδοι ξεπερνούν τον θόρυβο και τις ατέλειες
Σε μια νέα θεωρητική μελέτη, οι Norrie, Miranowicz και Deng-Gao Lai ανέπτυξαν μια τεχνική που επιτρέπει τον μη αμοιβαίο κβαντικό συγχρονισμό των φωνονίων και αποφεύγει πολλά από τα εμπόδια που εμπόδιζαν τις προηγούμενες μεθόδους.
“Αυτή η εξέλιξη θέτει ένα νέο θεμέλιο για τη μελλοντική πρακτική εφαρμογή της δημιουργίας μη αμοιβαίων κβαντικών πόρων από εύθραυστους σε ισχυρούς”, είπε ο Norrie.
Η τεχνική τους συνδυάζει δύο ξεχωριστά κβαντικά εφέ σε μια ενιαία δομή. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, τα φωνόνια συγχρονίζονται όταν το φως ή ένα μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται από μία κατεύθυνση, αλλά ο συγχρονισμός δεν συμβαίνει όταν η ίδια επιρροή προέρχεται από την αντίθετη κατεύθυνση.
Εκπληκτική στιβαρότητα για την κβαντική τεχνολογία
Οι ερευνητές εξεπλάγησαν ιδιαίτερα από το πόσο ανθεκτικό αποδείχθηκε το σύστημα.
«Είμαστε ενθουσιασμένοι που ανακαλύψαμε ότι ο κβαντικός συγχρονισμός επιμένει ακόμη και με την παρουσία σημαντικών ατελειών και θορύβου», είπε ο Λάι. «Προηγουμένως, αυτό θεωρείτο ότι ήταν αδύνατο χωρίς τη χρήση πολύπλοκων συστημάτων ασφαλείας».
Η ομάδα πιστεύει ότι τα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην προώθηση των σχεδίων για την ανάπτυξη πρακτικής κβαντικής τεχνολογίας και στη συνέχιση της εξερεύνησης της ιδέας.
«Επιτρέποντας τον ισχυρό μη αμοιβαίο κβαντικό συγχρονισμό, η έρευνά μας ανοίγει το δρόμο για την πραγματοποίηση πιο αξιόπιστων κβαντικών επεξεργαστών και ασφαλών κβαντικών πόρων», σχολίασε ο Lai. «Σχεδιάζουμε τώρα να εξερευνήσουμε εφαρμογές στην κβαντική δικτύωση και την ανθεκτική σε σφάλματα επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών».
