Kvantinė kontrolė: kiek keistumo pageidaujate?

Kvantinis diskordas: triukšmingasis susietumo dvynys

Raymondas Laflamme'as dirba nuostabiai atrodančiame pastate. Kvantų–Nano centro Waterloo universitete Ontario'je, Kanadoje, išorė iš besikaitaliojančių atspindinčių ir matinių stiklo juostų sukurta kaip kvantų pasaulio keistumo metafora. Vidus dar įspūdingesnis. Jo laboratorijos taip gerai izoliuotos nuo išorinio pasaulio, kad vargu ar žemės drebėjimas sujudintų grindis. Joks elektrinis ar magnetinis laukas negali patekti ten, kur nepageidaujamas, o temperatūra reguliuojama laipsnio tikslumu. Tai ypač įspūdinga, kadangi žmonių karšti kūnai atvyksta į centrą atlikti eksperimentų temperatūrose, artimose absoliučiam nuliui.

Kaip būtų gaila, jei visa ši naujausia inžinerija pasirodys esanti visiškai bereikalinga. Laflamme'as vadovauja universiteto kvantinių skaičiavimų institutui. Ironiška, jis buvo tarp pirmųjų tyrėjų, parodžiusių, kodėl kvantiniam skaičiavimui gali nereikėti tokios izoliacijos, kaip manėme anksčiau. Jei vadovausimės naujausiais rezultatais, kvantų pasaulio raktas gali būti ne trukdžių vengimas, o jų skatinimas.

Atsirandantis kvantinių sistemų jungčių supratimas rodo, kad buvimas kvantišku reiškia daug daugiau, nei suvokėme. Tyrėjai šį fenomeną pavadino kvantiniu diskordu. Jei pasirodys, kad jis yra tai, kuo dabar atrodo, diskordas gali pasakyti, ką iš tiesų reiškia būti kvantu. Tačiau to nauda nebus vien abstrakti. Diskordas gali pakeisti mūsų požiūrį į biologiją, skaičiavimą, matavimą ir – be abejonės – pačios realybės prigimtį.

Atsargiai: diskordas – paini koncepcija. Pirmasis jį apibrėžė Wojciechas Zurekas iš Los Alamos Nacionalinės laboratorijos New Mexico. Zurekas tyrė matavimo poveikį kvantų sistemoms. Viena iš žymiausių kvantinių objektų savybių yra ta, kad kol nepamatuoti, jie egzistuoja daugelyje vietų vienu metu.

Zurekas norėjo suprasti, kaip matavimas paverčia kvantinį objektą „klasikiniu“ kasdieniu, fiksuotų savybių ir nekeistu objektu. Žinome, kad kvantų sistema tampa klasikine, jeigu išmatuojama keletą kartų arba matuojama grubia jėga. Zurekas iškėlė mintį, kad šio proceso metu prarandama išmatuojama esybė – diskordas. Pasak jo, diskordas iš esmės yra „kvantiškumo matas“.

Tokia idėja susilaukė itin mažai dėmesio. Tada, po keleto mėnesių, Vlatko Vedralas iš Oxfordo universiteto išvydo kažką panašaus – nors ir iš kitos pusės. Jis ieškojo visos informacijos, kurią teoriškai galima ištraukti iš „susietą“ porą sudarančių dalelių. Kai dvi kvantinės dalelės susiejamos, šiek tiek informacijos apie vieną dalelę saugoma kitoje. Kiekvienos jų savybes visiškai apibūdinti galima tik aprašant visą porą.

Tačiau Vedralą buvo sukrėstas, kai tikrindamas iš kur visa informacija radosi, išsiaiškino matematiką. Susietume laikomos informacijos ir klasikinės informacijos „suma neatitiko visos sistemos informacijos“, sako jis. „Tai išties nustebino.“ Jis mano, kad trūkstama informacija yra sistemos diskordo matas.

Viena iš priežasčių, kodėl jis taip nustebo, buvo tai, kad seniai laikė susietumą pačia tyriausia kvantinio pasaulio keistumo esencija. Nes galima susieti atomų porą, padėti juos priešingose visatos pusėse ir vieno jų išmatavimas paveiks vėlesnį kito matavimą, nors fizinio saito tarp jų ir nėra.

Einšteinas atmetė tai kaip „vaiduoklišką veikimą per atstumą“ ir sakė, kad tai rodo, jog reikia padirbėti su kvantų teorijos matematika – turi būti papildoma, neįtraukta į lygtis informacija apie atomus, sakė jis.

Einšteino nelaimei, susietumo realumas buvo įrodytas XX amžiaus devintajame dešimtmetyje. Nuo tada kvantų tyrėjai juo, galima sakyti, apsėsti. Ką Schrödingeris skelbė skiriamuoju kvantų teorijos bruožu, tapo supergreitų kompiuterių, nenulaužiamos kriptografijos, erdvės ir laiko prigimties išsiaiškinimo raktu.

Visa tai todėl, kad susietumas yra nuostabus manipuliavimo kvantine informacija išteklius. Jei Alisa ir Bobas dalinasi susietų fotonų pora, Alisa gali suteikti Bobo fotonui bet kokią būseną, vien atlikdama atitinkamą savo fotono matavimą.

Bėda tik, kad susietumo įdarbinimas pasirodė esąs itin sunkus uždavinys. Šis vaiduokliškas ryšys baisingai delikatus: susiejus du atomus, reikia juos izoliuoti nuo bet kokių trukdžių šaltinių. Vibracija, šiluma, šviesa, susidūrimai su oro atomais; visa tai gali saitą nutraukti – iš čia griežti Laflamme'o darbovietės reikalavimai.

Taigi, ar yra būdas atlikti keistus ir naudingus kvantinius dalykėlius be visų šių rūpesčių? Štai čia ir išmuša diskordo valanda.

Trukdžiai susietumui yra tokia didelė problema, nes sąveika su šilta ar triukšminga aplinka atima šiek tiek kvantinės informacijos, būtinos visiškam sistemos apibūdinimui. Tai didelė problema susietumui, negalinčiam pakęsti informacijos netekimo. Bet nutrūkus susietumui, tebelieka diskordas: tinklas silpnesnių – bet vis vien panaudojamų – saitų, turinčių informaciją apie sistemos savybes. Be to, diskordas daug pakantesnis už susietumą: jis klesti triukšme. „Kai kurios triukšmo rūšys, tiesą sakant, sustiprina diskordą,“ sako Gerardo Adesso iš Nottinghamo universiteto, JK.

Norint tai paaiškinti, turime suprasti, kad gali egzistuoti įvairaus grynumo kvantinės būsenos. Tarkime, fotonui gryniausia būsena yra kaip riedanti moneta – idealiai stačia, tačiau labai pažeidžiama. Fotonai gali būti susieti tik būdami šios būsenos. Galvokite apie susietumą kaip apie dviejų gryniausios būsenos monetų ridenimą per porą siaurų vertikalių plyšių į dėžę, perduodančią informaciją tarp monetų.

Per tokius suvaržymus gali praeiti ne kiekviena kvantinė būsena. „Sumaišytos“ būsenos yra ne taip gerai apibrėžtos: fotonas labiau primintų į šonus svirduliuojančią riedančią monetą. Ji nesugebėtų prariedėti per susietumo dėžutės vertikalius plyšelius, bet per platesnį plyšį prariedėtų. Riedėdama moneta galėtų užkliudyti sieneles. Tokie stumtelėjimai įjungtų sienos signalizaciją ir bet kuris kitas fotonas, naudojantis šį kanalą, pajus „svirduliavimą“. Taip triukšminga aplinka gali padidinti dalinamos informacijos kiekį.

Nebesusieti

Tad, nors aplinkos trukdžiai grynas būsenas pavers maišytomis, taip sunaikindami bet kokį susietumą, jos ne tik toleruoja niuksus, bet ir gali gauti iš jų informacijos. Jos negali turėti tiek informacijos, kiek susietumas, tačiau vis vien potencialiai naudingą kiekį. Tai lyg ir lengvoji susietumo versija, kai dviems dalelėms dalinantis šiek tiek diskordo, galima manipuliuoti viena, taip pakeičiant ir kitą. Galimų pokyčių spektras labiau ribotas, nei susietumo atveju, bet gali būti panaudotas informacijos apdorojimui.

Apžvelkime Laflamme'o atradimą. 1998 m., dirbdamas su Emmanueliu Knillu iš Colorado universiteto Boulderyje, jis pademonstravo, kad kvantiniams skaičiavimams susietumas nėra būtinas.

Jie tai atliko matematiniu mintiniu eksperimentu. Pirmiausia, jie įsivaizdavo kvantinių dalelių rinkinį, kur visos dalelės yra maišytos būsenos, išskyrus vieną. Ši yra grynosios būsenos, bet kadangi tik viena, sistemoje susietumo nėra. Tada Knillas ir Laflamme'as ėmė ieškoti informacijos apdorojimo užduoties, kurią šis dalelių rinkinys galėtų atlikti greičiau, nei kuris nors žinomas klasikinis algoritmas.

Jie tokią užduotį rado. Ji susijusi su sistemos energijų skaičiavimu; ne itin už širdies griebianti užduotis, tačiau kaip bebūtų, pademonstravo faktą, kad greitąjį kvantinį skaičiavimą galima gauti ir be susietumo.

Šis greitis radosi iš maišytos būsenos dalelių sąveikos su grynosios būklės dalele ir tada, galiausiai išmatuojant gaunamą grynąją būseną. Beveik po dešimtmečio Animeshas Datta'as iš Oxfordo universiteto su kolegomis parodė, kad šio scenarijaus širdyje yra savybė, kurią dabar apibrėžiame kaip kvantinį diskordą. Jų visų bendros informacijos kiekis priklauso nuo diskordo saitų, egzistuojančių tarp mišrių sistemos būsenų.

Grįžtant prie monetų analogijos, Datta'as parodė, kad šis procesas yra kaip grynos būsenos monetą ridenant per vieną iš mišrios būsenos monetų pločio plyšių, tuo tarpu kitame plyšyje yra viena iš mišrios būsenos dalelių. Jei grynos būsenos moneta brūkšteli sienelę, ji paima šiek tiek informacijos, kurią paliko maišytos būsenos rimtesnis kontaktas su sienele. Galiausiai nuskaitę grynosios būsenos monetos informaciją, kažką sužinosime apie maišytosios būsenos monetas, kurios veikė viena kitą ir aparatą.

Kitaip tariant, teisingai atliekant procesą, galutinis grynosios būsenos atomo matavimas gali pažaboti kitų atomų informacijos apdorojimo potencialą, nepaisant jų maišytosios būsenos.

Vėlesni Andrew White'o Queenslando universitete Brisbane'e, Australijoje, atlikti eksperimentai ne tik įrodė, kad tai tiesa; jie parodė ir tai, kad galima netgi sumažinti grynosios būsenos grynumą. Kol yra nors kiek diskordo, yra ir kompiuterinis pranašumas prieš klasikines mašinas.

Tai didžiulis atradimas. Jis pažemina susietumą iki kvantinio pasaulio išnaudojimui skirto įdomaus įrankio – bet ne esminio. Kadangi diskordą pasiekti daug lengviau, visai gali būti, kad kurdami kvantines technologijas, apsieisime ir be susietumo. „Sakyčiau, yra bent tuzinas gan skirtingų sričių, kur diskordas naudingas,“ sako Zurekas. „Tai pernelyg geras įrankis, kad prisireikus, jo nepanaudotume.“

Tokie nušvitimai turės didžiulę įtaką kvantiniam skaičiavimui. Beveik visuose paaiškinimuose, kuriuos teko skaityti – taip pat ir šiame žurnale – susietumo galia vadinama kvantinių kompiuterių gebėjimo skaičiuoti taip, kaip klasikiniams kompiuteriams nepasiekiama, priežastimi. Pasak diskordo šalininkų, šį paaiškinimą metas suplėšyti. Susietumas netgi gali būti kvantinio skaičiavimo šalutinis produktas, o ne jo galios šaltinis, sako Laflamme'as. „Žinome, kad kvantinis informacijos apdorojimas nėra vien susietumas,“ sako Laflamme'as. „Tai nėra atsakymas į viską.“

Adesso'as jau darbuojasi prie diskordą galinčių išnaudoti technologijų. Jis sukūrė itin jautrius kvantinių matavimų prietaisus, veikiančius be jokių apribojimų, kurie kiltų panašiems, susietumu paremtiems, prietaisams. Naudojant techniką, kurią jis ir kolegos vadina kvantiniu vertinimu, kupina diskordo maišytų būsenų kvantinė sistema sąveikauja su bet kokia matuojama sistema. Stebėdami pokyčius maišytosiose savo zondo būsenose, jie atlieka labai tikslius, pavyzdžiui, fotono fazės matavimus. Tai mums gali suteikti jautresnius ir galingesnius interferometrus, kuriant itin jautrius gravitacinių bangų jutiklius ar atominius laikrodžius.

Kvantiniai augalai

Yra ir potencialus pritaikymas sudėtinių medžiagų fizikoje. Supratimas, iš kur atsiranda netikėtos savybės, tarkime, staigų fazės pasikeitimą tam tikroje temperatūroje, gali būti susijęs su diskordu ir kitais medžiagos vidiniais tarpusavio ryšiais. „Dar tik pradedame suprasti jų sudėtingumą,“ pabrėžia Ujjwal Sen iš Harish-Chandra tyrimų instituto, Allahabade, Indijoje.

Diskordas gali būti ir atsirandančios kvantinės biologijos naudingas įrankis. Naujas tyrimas pateikė užuominų, kad kvantiniai triukai padeda augalams fotosintetinti, o paukščiams rasti kelią. Tai labiausiai stebino dėl to, kad šios sistemos veikia šiltose, drėgnose ir triukšmingose natūraliose aplinkose, kurių stengiamės išvengti visose kvantinių technologijų sistemose. Visad buvo paslaptis, kaip tokiose aplinkose gali veikti susietumas, bet dabar žinome, kad jis ir nebūtinas.

Faktas, kad kvantinis diskordas ne tik toleruoja triukšmą, bet ir gali būti juo sustiprintas, leido Adesso'ui įtarti, kad šiuo reiškiniu galėjo pasinaudoti evoliucija. „Manau, labai tikėtina, kad gyvos sistemos smarkiai išnaudoja kvantinius efektus, tad jose tikrai bus įtrauktas ir diskordas.“

Dar neaišku, kaip toli gali siekti šio keisto reiškinio įtaka. „Ar diskordas yra atsakymas į viską? Mes nežinome,“ pripažįsta Laflamme'as. „Diskordas parodo, kad kvantų mechanika yra daugiau nei manėme – yra dar daug nesuprantamų dėlionės gabalėlių. O kur tai gali nuvesti, ką pasakyti apie mūsų pasaulį, kur tai galime panaudoti – dar nėra visiškai aišku.“

Dar vienas nevisiems aiškus dalykas yra koks, jei iš viso, revoliucingas dalykas yra diskordas. Stephanie Wehner iš Kvantinių technologijų centro Singapūre perspėja, kad diskordas buvo pervertintas. Ji baiminasi, kad tai tiesiog turimų žinių perfrazavimas, ir kad tai gali atitraukti žmones nuo gilesnių kvantų pasaulio tiesų ieškojimo. „Kvantinės informacijos teorija siūlo daug galingesnius būdus tyrinėti kvantinio ir klasikinio pasaulio skirtumų subtilybes,“ sako ji.

Kaip bebūtų, diskordo idėja atvėrė mums akis, sako Laflamme'as. Turime naują kvantų ir klasikinio pasaulio skirtumų supratimo atakos kampą – tarkime, kodėl kvantų sistemos gali egzistuoti dviejose vietose tuo pat metu, o mes negalime. Tai galėtų žymėti technologinį posūkio tašką. „Tai puiku: jaunas mokslininkas šioje srityje gali mąstyti apie kvantinės informacijos apdorojimą visai kitaip, nei mano karta,“ samprotauja Laflamme'as. Visa tai labai gerai, Ray'jau. Tik nesakyk žmonėms, kurie taip sunkiai dirbo, kurdami tavo prašmatnų pastatą.

Michael Brooks
New Scientist № 2986