Квантовые вычисления могут произвести революцию в обработке информации, предоставив средства для решения проблем, слишком сложных для традиционных компьютеров, с приложениями для взлома кода, материаловедения и физики, но выяснить, как спроектировать такую машину, остается неуловимым.Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.«Квантовая шумовая спектроскопия» — это новая область в квантовой физике, которая стремится охарактеризовать и контролировать шум, воздействующий на квантовые системы.
Квантовые системы, которые включают в себя крошечные объекты, такие как атомы, электроны и фотоны, демонстрируют противоречивые свойства, такие как способность одновременно находиться в суперпозиции двух разных состояний. Эти квантовые свойства необходимы для квантовых вычислений, но они легко теряются из-за декогеренции, когда квантовые системы подвержены «шуму» во внешней среде. Поскольку квантовая система всегда встроена в более крупную среду, некоторый шум неизбежен.
Следовательно, количественное понимание шума окружающей среды имеет решающее значение для точного моделирования поведения квантовых систем и определения того, могут ли они работать в таких приложениях, как квантовые вычисления.Квантовая шумовая спектроскопия предлагает элегантное решение этой проблемы за счет использования квантовой системы в качестве «зонда» своего собственного окружения. Обычно экспериментатор может управлять состоянием квантовой системы посредством приложения внешних полей, таких как оптические или магнитные поля.
В протоколе спектроскопии квантового шума квантовая система подвергается «контрольной последовательности», то есть соответствующим образом спроектированному применению этих полей. Квантовая система динамично развивается благодаря как управляющей последовательности, так и неизбежным взаимодействиям с окружающей средой.
Тщательный выбор управляющих последовательностей в сочетании с измерением квантовой системы позволяет исследователям извлекать информацию о шумах окружающей среды.«До нашей работы квантовая шумовая спектроскопия имела два основных недостатка: она ограничивалась шумом окружающей среды, который был (1) классическим и (2) гауссовским», — говорит соавтор Лоренца Виола, профессор физики из Дартмута. «Предположение о гауссовости подразумевает, что шум обладает очень особыми свойствами — он может быть полностью описан исключительно в терминах« двухточечных корреляционных функций »- в то время как предположение о классичности исключает возможность того, что сама среда находится в квантовом состоянии. Механический режим.
Эти предположения не работают во многих реалистичных интересных ситуациях, которые запрещают точную и общую характеристику шума окружающей среды. Например, сверхпроводящие кубиты, одна из самых многообещающих систем для масштабируемых квантовых вычислений, подвержены шуму с наблюдаемыми отклонениями от гауссовости. . "В своей новой работе исследователи Дартмут-Гриффит разработали новое семейство управляющих последовательностей и показали, как они могут извлекать информацию о многомерных (помимо двухточечных) корреляционных функциях шума. Знание этих корреляционных функций предлагает полную характеристику шума, позволяя точно моделировать взаимодействие между квантовой системой и ее окружением.
Исследователи демонстрируют протоколы шумовой спектроскопии, которые применимы как к классической, негауссовой, так и к классу парадигматических квантовых, негауссовских сред. Насколько известно исследователям, изучение корреляционных функций более высокой размерности для источников квантового шума является совершенно новой областью исследований.«Квантовые технологии могут произвести революцию в вычислениях и коммуникациях», — говорит Виола. «Однако одним из основных препятствий на пути к реализации этих технологий в лаборатории является декогеренция квантовых систем через взаимодействие с окружающей средой. Квантовая шумовая спектроскопия характеризует шум окружающей среды, позволяя детальное динамическое моделирование и предлагая физическое понимание процесса декогеренции.
Это информация может быть использована для разработки стратегий по оптимизации защиты квантовых систем от шума окружающей среды. Предыдущая работа не применялась к квантовым или негауссовским источникам шума, за исключением большого класса квантовых систем. Наша работа преодолевает эти ограничения ».