Ֆիզիկոսներն առաջարկել են քվանտային տեղեկատվության ընթերցման եղանակ, որը գրեթե չի խախտում կուբիթի վիճակը: Այն ուղղակիորեն չափելու կամ լրացուցիչ միջնորդ-կուբիթ օգտագործելու փոխարեն հետազոտողներն առաջարկում են վերլուծել էլեկտրական գերհոսանքը, որն առաջանում է հենց քվանտային համակարգում: Համակարգչային մոդելավորումը ցույց է տվել վիճակի վերականգնման մինչև 99,85% ճշգրտություն, սակայն մեթոդը դեռևս փորձնականորեն ստուգված չէ:

Աշխատանքը նվիրված է քվանտային բիտերի հատուկ տեսակին՝ Անդրեևի կուբիթներին: Հետազոտությունը, որին աջակցել է FAPESP հիմնադրամը, հրապարակվել է Physical Review B Letters ամսագրում: Դրա հեղինակներն են Ժոզե Կառլոս Էգեսը Բրազիլիայի Սան Պաուլուի համալսարանի Սան Կառլոսի ֆիզիկայի ինստիտուտից և Յույգույ Յաոն Չինաստանի պեկինյան տեխնոլոգիական ինստիտուտից, պատմում է ScienceDaily-ն:

Ինչու է քվանտային տեղեկատվությունը դժվար չափել

Սովորական համակարգչում տվյալները պահվում են բիտերում, որոնք ընդունում են երկու արժեքներից մեկը՝ 0 կամ 1: Դրանք կարելի է ընթերցել բազմիցս՝ առանց բնօրինակ տեղեկատվությունը փոխելու: Քվանտային համակարգերն օգտագործում են կուբիթներ, որոնք ընդունակ են գտնվելու ոչ միայն 0 և 1 վիճակներում, այլև դրանց սուպերպոզիցիայում՝ երկու տարբերակների հատուկ քվանտային համադրությունում:

Հենց սուպերպոզիցիան է ընկած քվանտային հաշվարկների պոտենցիալ առավելությունների հիմքում: Բայց հենց դա էլ խնդիր է ստեղծում. կուբիթի չափումը կարող է փոխել դրա վիճակը: Ուղղակի չափման դեպքում սուպերպոզիցիան սովորաբար քանդվում է, և դրա հետ միասին կորչում է սկզբնական քվանտային վիճակի մասին տեղեկատվությունը:

Այս սահմանափակումը շրջանցելու համար ֆիզիկոսները մշակել են այսպես կոչված քվանտային ոչ դեմոլիցիոն չափումների մեթոդներ: Դրանցից շատերում օգտագործվում է լրացուցիչ քվանտային համակարգ՝ անցիլա: Սկզբում տեղեկատվությունը հիմնական կուբիթից փոխանցվում է օժանդակին, որից հետո արդեն չափվում է անցիլան:

Նման մոտեցումը թույլ է տալիս ավելի քիչ ազդել սկզբնական կուբիթի վրա, բայց բարդացնում է փորձը: Անհրաժեշտ է նախապատրաստել լրացուցիչ համակարգ, կապել այն հիմնական կուբիթի հետ, փոխանցել տեղեկատվությունը և անցկացնել չափումներ: Կուբիթների թվի ավելացմանը զուգընթաց այս գործողությունները պահանջում են ավելի ու ավելի շատ սարքավորումներ և ժամանակ:

Նոր աշխատանքի հեղինակներն առաջարկում են հրաժարվել նման միջնորդից. կուբիթի վիճակի մասին տեղեկություններ ստանալ այն ազդանշանից, որն արտադրում է հենց քվանտային համակարգը:

Անդրեևի կուբիթն ստեղծում է սեփական էլեկտրական ազդանշան

Մեթոդի հիմքում ընկած է Անդրեևի կուբիթը: Դրա անվանումը կապված է ֆիզիկոս Ալեքսանդր Անդրեևի հետ, ով 1964 թվականին նկարագրել է հատուկ քվանտային գործընթաց սովորական նյութի և գերհաղորդչի սահմանին:

Գերհաղորդիչները որոշակի պայմաններում էլեկտրական հոսանք են անցկացնում առանց դիմադրության: Նման նյութերի սահմանին կարող են առաջանալ հատուկ քվանտային վիճակներ՝ Անդրեևի վիճակներ: Դիտարկվող համակարգում դրանք ձևավորվում են երկու գերհաղորդիչների միջև եղած արտակարգ փոքր տիրույթում:

Այս տիրույթը ներկայացնում է քվանտային կետ՝ նանոկառուցվածք, որտեղ էլեկտրոնները տարածության մեջ սահմանափակված են: Հետազոտությունում այն ձևավորված է ինդիումի արսենիդի (InAs) նանոլարում, որը երկու կողմից միացված է գերհաղորդող նյութերին: Նման կառուցվածքում քվանտային վիճակները կարող են կոդավորել 0 և 1 արժեքները, ինչպես նաև դրանց սուպերպոզիցիաները:

Առանցքային դեր է խաղում գերհոսանքը՝ էլեկտրական հոսանքը, որը գերհաղորդող համակարգում հոսում է առանց դիմադրության: Հետազոտողների հաշվարկների համաձայն՝ երբ Անդրեևի կուբիթը գտնվում է սուպերպոզիցիայում, գերհոսանքում հայտնվում է ժամանակի ընթացքում տատանվող բաղադրիչ:

Այս տատանումներն առաջանում են սուպերպոզիցիան կազմող վիճակների միջև քվանտային ինտերֆերենցիայի պատճառով: Դրանք պատահական չեն. հոսանքի փոփոխությունների բնույթը կախված է նրանից, թե ինչ վիճակում է գտնվում կուբիթը: Հետևաբար, էլեկտրական ազդանշանը կարող է ծառայել որպես դրանում պահվող տեղեկատվության յուրօրինակ ստորագրություն:

Ինչպես հոսանքի տատանումներով վերականգնել կուբիթի վիճակը

Կուբիթի վիճակը նկարագրելու համար ֆիզիկոսները հաճախ օգտագործում են Բլոխի սֆերան (գունդը): Մեկ կուբիթի յուրաքանչյուր մաքուր վիճակին համապատասխանում է այդ գնդի մակերևույթի մի կետ: Դրա դիրքը որոշվում է երկու անկյուններով. մեկը նկարագրում է սուպերպոզիցիայում 0 և 1 վիճակների հարաբերակցությունը, մյուսը՝ դրանց հարաբերական փուլը:

Հետազոտության հեղինակները ցույց են տվել, որ երկու պարամետրերն էլ կարելի է ստանալ գերհոսանքի բնութագրերից: Դրա հաստատուն բաղադրիչը և տատանումների ամպլիտուդը թույլ են տալիս որոշել, թե ինչ համամասնությամբ են 0 և 1 վիճակները մտնում սուպերպոզիցիայի մեջ: Տատանումների սկզբի պահն իր հերթին պարունակում է տեղեկություններ դրանց հարաբերական փուլի մասին:

Այսպիսով, հետևելով ժամանակի ընթացքում հոսանքի փոփոխությանը, հնարավոր է վերականգնել կուբիթի սկզբնական վիճակը: Դրա համար անհրաժեշտ չէ անմիջապես իրականացնել հենց քվանտային բիտի չափումը:

Առաջարկվող էֆեկտն ունի նաև ևս մեկ առանձնահատկություն. գերհոսանքի տատանումներն առաջանում են առանց արտաքին լարման: Սովորաբար նման գերհաղորդող համակարգերում փոփոխական գերհոսանքը կապված է լարման հետ. այս երևույթը հայտնի է որպես Ջոսեֆսոնի փոփոխական էֆեկտ: Հետազոտողների մոդելում տատանումների աղբյուրն այլ է. դրանք հայտնվում են բնականոն կերպով կուբիթի սեփական քվանտային էվոլյուցիայի ընթացքում:

Այլ կերպ ասած՝ համակարգն ինքն է իր քվանտային վիճակի փոփոխությունները վերածում էլեկտրական ազդանշանի, որը կարելի է գրանցել արտաքին սարքի միջոցով:

Ընթերցում գերզգայուն տվիչի միջոցով

Գործնական իրականացման համար հեղինակներն առաջարկում են Անդրեևի կուբիթը տեղադրել փակ գերհաղորդող շղթայում, որով գերհոսանքը կկարողանա անընդհատ շրջանառվել: Դրա կողքին պետք է գտնվի SQUID-ը՝ գերհաղորդող քվանտային ինտերֆերոմետրը, որն ընդունակ է հայտնաբերելու արտակարգ թույլ մագնիսական դաշտեր:

Ցանկացած էլեկտրական հոսանք ստեղծում է մագնիսական դաշտ: Քանի որ առաջարկվող համակարգում գերհոսանքը տատանվում է, փոփոխություններ տեղի կունենան նաև այն շրջապատող մագնիսական դաշտում: SQUID-ը կկարողանա գրանցել այս թույլ տատանումները և դրանցով որոշել հոսանքի բնութագրերը, իսկ այնուհետև՝ վերականգնել կուբիթի վիճակը:

Կարևոր պայման է տվիչի թույլ փոխազդեցությունը չափվող համակարգի հետ: Այն թույլ է տալիս ստանալ տեղեկատվություն՝ հասցնելով նվազագույնի չափող սարքի հակադարձ ազդեցությունը կուբիթի վրա: Էգեսը նման կառուցվածքը համեմատում է երկու կողմնացույցների հետ. մեկը համապատասխանում է կուբիթին, մյուսը՝ SQUID-ին, որը որսում է շղթայում հոսանքի ստեղծած մագնիսական դաշտը:

Մեթոդը չի խոստանում լիովին վերացնել չափման ազդեցությունը: Տվիչն միևնույն է փոխազդում է համակարգի հետ, իսկ դրա ազդեցությունը կարող է մի փոքր փոխել կուբիթի վիճակը: Սակայն համակարգչային մոդելավորումը ցույց է տվել, որ այս հետադարձ կապը կարելի է դարձնել այնքան թույլ, որ դրա ազդեցությունը գործնականում անտեսելի լինի:

Առաջարկված սխեմայի ևս մեկ առավելություն է վիճակի փոփոխությանը բազմիցս հետևելու հնարավորությունը՝ առանց ամեն անգամ կուբիթը սկզբնական վիճակին վերադարձնելու անհրաժեշտության: Սա թույլ կտա հետևել համակարգի քվանտային էվոլյուցիային ժամանակի ընթացքում, այլ ոչ թե առանձին արդյունքներ ստանալ չափման և կրկնակի նախապատրաստման ցիկլերից հետո:

Մինչև 99,85% ճշգրտություն՝ առայժմ միայն հաշվարկներում

Իրական փորձին մոտ պայմաններում մեթոդի աշխատունակությունը գնահատելու համար հետազոտողներն անցկացրել են համակարգչային մոդելավորում: Հաշվարկներում հաշվի են առնվել չափման աղմուկը և չափող կոճի պատճառով առաջացող փոքր հետադարձ կապը:

Կախված չափումների քանակից՝ վիճակի վերականգնման ճշգրտությունը կազմել է 99,52%, 99,81% և 99,85%: Հեղինակների գնահատմամբ՝ նման ցուցանիշները տեղավորվում են սխալների քվանտային ուղղման սխեմաներում օգտագործվող ստանդարտ շեմային արժեքների սահմաններում:

Այնուամենայնիվ, այս արդյունքները դեռևս չի կարելի համարել աշխատող սարքի ցուցադրություն: Հետազոտությունը հիմնված է տեսական վերլուծության և համակարգչային հաշվարկների վրա: Փորձնականորեն ստուգել, թե արդյունոք կհաջողվի ստանալ համեմատելի ճշգրտություն ֆիզիկական համակարգում, դեռևս պետք է արվի:

Ընդ որում, հեղինակներն ընդգծում են, որ իրենց առաջարկը չի պահանջում սկզբունքորեն նոր նյութերի կամ սարքերի ստեղծում: Հաշվարկներում օգտագործվել են գոյություն ունեցող քվանտային համակարգերի պարամետրերը, իսկ SQUID-ն արդեն իսկ կիրառվում է արտակարգ թույլ մագնիսական դաշտերն ու հոսանքները գրանցելու համար: Գլխավոր չլուծված խնդիրն է՝ հավաքել բաղադրիչներն առաջարկված կոնֆիգուրացիայում և հաստատել համակարգի կանխատեսված վարքագիծը:

Եթե փորձերը հաստատեն արդյունքները, Անդրեևի կուբիթներից տեղեկատվության ընթերցումը կարող է պարզանալ՝ առանց լրացուցիչ միջնորդ-կուբիթների և վիճակի զրոյացման մշտական ցիկլերի: Բայց աշխատանքի նշանակությունը չի սահմանափակվում քվանտային համակարգերի հնարավոր բարդության կրճատմամբ: Այն առաջարկում է միջոց՝ համակարգի ներքին քվանտային դինամիկան կապելու չափելի էլեկտրական ազդանշանի հետ, և դրանով իսկ մոտենալու փխրուն քվանտային տեղեկատվության ընթերցմանը նվազագույն միջամտությամբ: