Kvantna „zapetljanost“ je proces kroz koji se dve čestice zapliću i ostaju povezane tokom vremena, čak i kada su razdvojene velikim rastojanjima. Otkrivanje ovog fenomena je od ključnog značaja i za razvoj kvantne tehnologije i za proučavanje kvantne fizike mnogih tela.
Istraživači u Tsinghui su nedavno sproveli studiju koja istražuje moguće razloge zašto se pouzdano i efikasno otkrivanje „zapetljanosti“ u složenim i „bučnim“ sistemima često pokazalo kao veoma izazovno. Njihovi nalazi, objavljeni u Phisical Reviev Letters, nagoveštavaju postojanje kompromisa između efektivnosti i efikasnosti metoda detekcije „zapetljanosti“.
„Pre više od 20 godina, istraživači su otkrili da je većina kvantnih stanja upletena“, rekao je za Phis.org Ksiongfeng Ma, jedan od istraživača koji su sproveli studiju.
„To znači da, na primer, ako smo uspeli da konstruišemo sistem od 100 kubita, recimo, superprovodni ili kvantni računarski sistem sa „jonskim zamkama“, ovaj sistem će evoluirati neko vreme, tokom kojeg kubiti u velikoj meri komuniciraju jedni sa drugima. Naravno, biće grešaka, pa da bismo održali dobru koherentnu kontrolu, razumno izolujemo sistem od okruženja. Sve dok čistoća (kvantifikovanje efikasnosti našeg napora za izolaciju) nije eksponencijalno mala sa brojem kubita, sistem velika je verovatnoća da će biti upletena.“
Iako bi „zapletanje“ teoretski moglo izgledati prilično jednostavno za realizaciju, postizanje toga u eksperimentalnim okruženjima je u stvari veoma teško. Studije su pokazale da je to posebno teško u velikim kvantnim sistemima, kao što su sistemi koji se sastoje od 18 kubita. Ključni cilj nedavnog rada Ma i njegovih kolega bio je da bolje razumeju izazove povezane sa otkrivanjem „zapetljanosti“ u velikim sistemima.
„Istraživači su postepeno shvatili da, iako priprema „zapetljanog“ stanja za veliki sistem može biti laka, otkrivanje „zapetljanosti“ može biti veoma izazovno u praksi“, objasnio je Ma. „U našem radu uspostavljamo matematičku formulaciju za kvantifikaciju efikasnosti metode detekcije „zapetljanosti“. Koristimo odgovarajuću kvantnu distribuciju stanja, koristimo odnos detektabilnog zapletenog stanja da kvantifikujemo njegovu efikasnost, a takođe kvantifikujemo efikasnost metode detekcije „zapetljanosti“ po broju posmatrača potrebnih za ovu metodu“.
Ma i njegove kolege su prvo ispitali koji je verovatno najjednostavniji protokol za otkrivanje uplitanja koji je danas dostupan, poznat kao svedoci „zapetljanosti“. Oni su pokazali da se sposobnost ovog protokola da otkrije „zapetljanost“ smanjuje za dvostruku eksponencijalnu vrednost kako sistem postaje veći.
Istraživači su kasnije otkrili da je ovo smanjenje efikasnosti povezano sa veličinom sistema takođe uticalo na druge protokole za otkrivanje „zapetljanosti“. Nakon niza teorijskih razmatranja, bili su u mogućnosti da prošire svoja zapažanja o performansama metode svedoka „zapetljavanja“ na proizvoljne protokole zapletanja koji se oslanjaju na merenja kvantnog stanja u jednoj kopiji.
„Za nasumično stanje u kombinaciji sa okruženjem, bilo koji protokol za otkrivanje „zapetljanosti“ sa realizacijom u jednoj kopiji je ili neefikasan ili neefikasan“, rekao je Ma. „Neefikasan znači da se protokol oslanja na merenje eksponencijalnog broja vidljivih, a neefikasan znači da je stopa uspešnosti uplitanja dvostruko eksponencijalno niska.“
U suštini, Ma i njegove kolege su pokazali da istraživači moraju biti u stanju da kontrolišu sve interakcije u sistemu sa velikom preciznošću da bi posmatrali „zapetljanost“ u velikim razmerama i da znaju skoro sve informacije o njima. Prema tome, kada postoji velika nesigurnost u vezi sa sistemom, verovatnoća otkrivanja njegovog zapleta je veoma mala, čak i ako je gotovo siguran da će se to dogoditi.
„Dokazali smo da nijedan protokol za otkrivanje zapleta nije efikasan i efikasan“, objasnio je Ma. „Ovo može pomoći u dizajnu protokola za otkrivanje „zapetljanosti“ u budućnosti. U međuvremenu, otkrivanje preplitanja velikih razmera može biti dobar pokazatelj za poređenje različitih sistema kvantnog računarstva. Na primer, kada laboratorijski tim tvrdi da grade sistem sa stotinama kubita , trebalo bi da otkriju „zapetljanost“. U suprotnom, nisu dovoljno dobro kontrolisali sistem.“
Sve u svemu, nalazi koje je prikupio ovaj tim istraživača naglašavaju postojanje kompromisa u efikasnosti i efektivnosti postojećih metoda otkrivanja „zapetljanosti“. Pored toga, oni nude dragocen uvid u razloge zašto je otkrivanje „zapetljanosti“ u velikim i bučnim kvantnim sistemima tako teško.
„Naš rezultat nas ne sprečava da dizajniramo protokol koji je efikasan i efikasan kada je sistem dobro kontrolisan (tj. povezano okruženje je relativno malo)“, dodao je Ma. „Trenutno imamo samo protokole za otkrivanje „zapetljanosti“ koji dobro funkcionišu za čista stanja, kao što su svedoci zapletanja, i protokole koji rade za velika okruženja na račun eksponencijalnih troškova. Primetili smo da protokol za otkrivanje „zapetljanosti“ koji radi za umerenu veličinu okruženja sa relativno niska cena još uvek nedostaje, a mi bismo sada želeli da pokušamo da je razvijemo.“
