Inženjeri UNSV-a su demonstrirali dobro poznati kvantni misaoni eksperiment u stvarnom svetu. Njihovi nalazi pružaju novi i robusniji način za izvođenje kvantnih proračuna – i oni imaju važne implikacije za ispravljanje grešaka, jednu od najvećih prepreka koja stoji između njih i kvantnog računara koji radi.
Kvantna mehanika zbunjuje naučnike i filozofe više od jednog veka. Jedan od najpoznatijih kvantnih misaonih eksperimenata je eksperiment „Šredingerove mačke“ — mačke čiji život ili smrt zavise od raspada radioaktivnog atoma.
Prema kvantnoj mehanici, osim ako se atom ne posmatra direktno, mora se smatrati da je u superpoziciji – to jest, da je u više stanja u isto vreme – raspadnutog, a ne raspadnutog. Ovo dovodi do zabrinjavajućeg zaključka da je mačka u superpoziciji mrtva i živa.
„Niko nikada nije video pravu mačku u stanju da je i mrtva i živa u isto vreme, ali ljudi koriste Šredingerovu metaforu mačke da opišu superpoziciju kvantnih stanja koja se u velikoj meri razlikuju“, kaže profesor UNSV Andrea Morelo , vođa tima koji je sproveo istraživanje, objavljeno u časopisu Fizika prirode.
Za ovaj istraživački rad, tim prof. Morela je koristio atom antimona, koji je mnogo složeniji od standardnih „kubita“ ili kvantnih građevinskih blokova.
„U našem radu, ‘mačka’ je atom antimona“, kaže Si Ju, glavni autor rada.
„Antimon je težak atom, koji poseduje veliki nuklearni spin, što znači veliki magnetni dipol. Spin antimona može da ide u osam različitih smerova, umesto u samo dva. Ovo možda ne izgleda mnogo, ali u stvari potpuno menja ponašanje sistem.
„Superpozicija spina antimona koji pokazuje u suprotnim smerovima nije samo superpozicija ‘gore’ i ‘dole’, jer postoji više kvantnih stanja koja razdvajaju dve grane superpozicije.“
Ovo ima duboke posledice za naučnike koji rade na izgradnji kvantnog računara koristeći nuklearni spin atoma kao osnovni gradivni blok.
„Uobičajeno, ljudi koriste kvantni bit, ili ‘kubit’—objekat opisan sa samo dva kvantna stanja—kao osnovnu jedinicu kvantne informacije,“ kaže koautor Benjamin Vilhelm.
„Ako je kubit okretan, možemo nazvati ‘spin dovn’ stanje ‘0’, a ‘spin up’ stanje ‘1’. Ali ako se smer okretanja iznenada promeni, odmah imamo logičku grešku: 0 pretvara se u 1 ili obrnuto, u samo jednom potezu. Zbog toga je kvantna informacija tako krhka.
Ali u atomu antimona koji ima osam različitih pravaca okretanja, ako je „0“ kodirano kao „mrtva mačka“, a „1“ kao „živa mačka“, jedna greška nije dovoljna da se skromuje kvantni kod .
„Kao što poslovica kaže, mačka ima devet života. Jedna mala ogrebotina nije dovoljna da je ubije. Naša metaforična ‘mačka’ ima sedam života: bilo bi potrebno sedam uzastopnih grešaka da se ‘0’ pretvori u ‘1’! Ovo je smisao u kome je superpozicija spinskih stanja antimona u suprotnim smerovima ‘makroskopska’ – jer se dešava u većoj skali i ostvaruje Šredingerova mačka“, objašnjava Ju.
Mačka od antimona je ugrađena u silicijumski kvantni čip, sličan onima koje imamo u našim računarima i mobilnim telefonima, ali prilagođen da omogući pristup kvantnom stanju jednog atoma. Čip je proizvela dr Danijela Holms iz UNSV-a, dok su atom antimona u čip ubacile kolege sa Univerziteta u Melburnu.
„Smeštanjem atomske ‘Šredingerove mačke’ unutar silicijumskog čipa, dobijamo izuzetnu kontrolu nad njenim kvantnim stanjem—ili, ako želite, nad njegovim životom i smrću,“ kaže dr Holms.
„Štaviše, hostovanje ‘mačke’ u silicijumu znači da se, dugoročno gledano, ova tehnologija može povećati korišćenjem sličnih metoda kao i one koje već usvajamo za pravljenje kompjuterskih čipova koje imamo danas.“
Značaj ovog otkrića je u tome što otvara vrata novom načinu izvođenja kvantnih proračuna. Informacije su i dalje kodirane u binarnom kodu, 0 ili 1, ali između logičkih kodova ima više „prostora za greške“.
„Jedna, pa čak i nekoliko grešaka, ne može odmah da šifruje informacije“, kaže prof. Morelo.
„Ako dođe do greške, odmah je otkrijemo i možemo da je ispravimo pre nego što se dalje nagomilaju greške. Da nastavimo sa metaforom ‘Šredingerova mačka’, kao da smo videli našu mačku kako se vraća kući sa velikom ogrebotinom na licu. Daleko je od mrtvih, ali znamo da se potukao, možemo da odemo i pronađemo ko je izazvao tuču, pre nego što se to ponovi i naša mačka zadobije dalje povrede.“
Demonstracija otkrivanja i ispravljanja kvantnih grešaka — „Sveti gral“ u kvantnom računarstvu — je sledeća prekretnica kojom će se tim pozabaviti.
Rad je bio rezultat velike međunarodne saradnje. Nekoliko autora sa UNSV Sidneja, plus kolege sa Univerziteta u Melburnu, proizveli su i upravljali kvantnim uređajima.
Teorijski saradnici u SAD, u Nacionalnim laboratorijama Sandia i NASA Ames, i Kanadi, na Univerzitetu u Kalgariju, pružili su dragocene ideje o tome kako stvoriti mačku i kako proceniti njeno komplikovano kvantno stanje.
„Ovaj rad je divan primer saradnje na otvorenim granicama između vodećih svetskih timova sa komplementarnom stručnošću“, kaže prof. Morelo.