Nueva forma de control de qubit puede rendir más tiempo tiempos de cálculo

No puedes superar el límite de Heisenberg, pero, con suficientes matemáticas, puedes acércate Características de enfoque

La computación cuántica se trata de controlar los estados cuánticos. Últimamente, han salido noticias sobre la computación de computadoras cuánticas cosas, con la capacidad subyacente de controlar las cosas tomadas para concedido. Pero la verdad es que el control sigue siendo un factor limitante en el desarrollo de computadoras cuánticas.

En el centro del asunto está el qubit, un objeto cuántico que se usa para codificar información. Parte del poder de un cuanto computadora es que un qubit se puede poner en un estado de superposición, más en eso a continuación, eso permite una especie de paralelismo. El objetivo de un algoritmo cuántico es manipular el estado de superposición del qubit de modo que cuando medimos el qubit, devuelve un valor de bit que corresponde a la respuesta correcta.

Y eso significa controlar el estado de superposición, que implica bastante equipo de alta precisión (y alto precio). Las mejoras generalmente implican equipos aún más caros. Pero nuevas investigaciones sugieren que podríamos ser capaces de mejorar nuestro control por un factor de 1,000 usando el equipo existente y listo pensando.

El autor debería y no debería haber escrito mucho sobre superposición

Para entender el problema de control, necesitamos tener un poco de comprensión sobre la superposición. Cuando describimos un cuanto estado de superposición, a menudo usamos un atajo y decimos algo como “Esto significa que la partícula está en dos posiciones a la vez”.

Pero eso realmente no es suficiente para nuestros propósitos, y creo que es engañoso de todos modos. Un objeto cuántico tiene varias propiedades. que podemos medir Hasta que se mide una propiedad, como la posición, No tiene valor. En cambio, tenemos que pensar en las probabilidades: si íbamos a realizar una medición, ¿cuál es la probabilidad de que obtendría un cierto valor?

Esa es la superficie. Debajo de la superficie hay una muy inusual concepto llamado “amplitud de probabilidad”. Una probabilidad es siempre positivo (o cero) y real, pero una amplitud puede ser positiva, negativo o incluso complejo (si no sabe qué número es complejo es decir, no te preocupes) Esto lo cambia todo.

Imaginemos que tenemos una sola partícula y la disparamos a Una pantalla con dos agujeros. La partícula puede pasar a través de cualquier agujero o golpear la pantalla. En el otro lado de la pantalla, colocamos un detector y preguntarnos, “¿cuál es la probabilidad de que lo hagamos detectar una partícula?

Bueno, para obtener eso, tenemos que sumar la probabilidad amplitudes de cada camino que la partícula puede tomar hasta el detector. Y las amplitudes pueden ser positivas o negativas, por lo que la suma no es necesariamente más grande Incluso puede ser cero.

Si realizamos este cálculo para muchos posibles diferentes detectores, encontramos muchos lugares donde la probabilidad es absolutamente cero y muchos lugares que son igualmente probables. Si tu realiza este experimento, esto es exactamente lo que mides. Después de mil partículas individuales pasan a través de los agujeros, hay algunos lugares donde nunca se detectan y otros donde están detectado regularmente.

�A dónde voy con todo esto? En mecánica cuántica, para Predecir con precisión estos resultados, necesita saber todo lo posible caminos por los cuales una partícula puede alcanzar una determinada posición. Entonces, en nuestro ejemplo anterior, debemos tener en cuenta ambos caminos hacia el detector. Esto lleva a las personas a decir que la partícula atraviesa ambos agujeros a la vez.

Pero, la suma de las amplitudes de probabilidad determina dónde se puede detectar una partícula y donde nunca se detectará. Entonces, si modifica uno de los caminos que puede tomar la partícula, significa modifica las amplitudes y, por lo tanto, cambia la ubicación donde Se puede encontrar partícula.

Usando superposición

Entonces, la probabilidad de medir un valor depende del historial de la onda de probabilidad. Esto abarca todos los caminos posibles. Y eso se puede convertir en un excelente sensor. De hecho, usamos esto propiedad para medir el paso del tiempo con exquisita sensibilidad. También funciona bien para medir otras propiedades.

Un ejemplo común es la detección de campos magnéticos. Algo como un El electrón también es un pequeño imán. El imán del electrón alinear con el campo magnético o anti-alinear. Entonces, podemos poner el electrón en un estado de superposición de alineado y anti-alineado. los efecto del campo magnético es modificar la probabilidad amplitudes de los dos estados, mientras que el tamaño del cambio depende en la fuerza del campo magnético.

Después de pasar por el campo magnético, medimos orientación del imán del electrón. Una medida individual no nos dice nada, pero después de mil electrones, tenemos el Probabilidades relativas de las dos orientaciones. De eso, podemos Calcule la intensidad del campo magnético.

Esto puede, en principio, ser un sensor de alta precisión. Solo uno algo se interpone en el camino: ruido. El valor de la probabilidad. las amplitudes dependen del camino que tomen (aunque no necesariamente la distancia que viajan). Ese camino es cambiado por el entorno local de maneras impredecibles, por lo que cada electrón es En realidad, una medida de la influencia del campo magnético desea medir más una contribución aleatoria del ruido. El último Es diferente para cada electrón. Si el ruido es lo suficientemente grande, todo se iguala, de modo que los dos resultados de medición (alineados y anti-alineado) tienen la misma probabilidad.

El ruido no se puede reducir. Entonces, para obtener una buena medición, nosotros tenemos que hacer que nuestro electrón sea menos sensible a las fluctuaciones aleatorias y más sensible a la señal que nos interesa.

Ponerse sensible

En el caso de medir señales dependientes del tiempo, la forma de hacerlo esto es golpear repetidamente el electrón muy fuerte. En la ausencia de cualquier golpe o ruido, la onda de probabilidad del electrón cambia suavemente con el tiempo. El ruido agrega pequeños saltos a estos cambios Se parece un poco a la ola que saltó hacia adelante (o hacia atrás) a tiempo sin que te des cuenta.

Pero no queremos pequeños saltos, porque esos se interponen en el camino de la señal. En cambio, queremos golpear el electrón con un cuanto bate de béisbol, que crea un salto lo suficientemente grande como para intercambiar el amplitudes de probabilidad de los dos resultados posibles (esto se llama un “pulso pi”). Cuando haces esto a intervalos regulares, el efecto es para deshacer todos los cambios provocados por el ruido que se acumulan durante el intervalo.

Entonces, si no hay señal y solo ruido, no se mide la red cambio en las probabilidades Pero si el campo magnético está oscilando a una frecuencia constante (o más precisamente, conduciendo el qubit a esa frecuencia), los cambios en la amplitud de probabilidad acumular.

Esto solo funciona si las señales varían en el mismo período que el intervalo entre golpes que le estamos dando al sistema. Esencialmente, nosotros tiene un filtro muy estrecho (aquellos de ustedes que juegan con electrónica puede reconocer la descripción de un amplificador de bloqueo oculto en aquí).

Aunque el filtro es lo suficientemente estrecho como para ser útil, no puede ser cambió de frecuencia suavemente, por lo que no podemos escanear a través de las frecuencias. El gran problema es la tecnología. Nuestro bate de béisbol cuántico es a menudo un Pulso de microondas. Esos pulsos tienen que ser generados por algo, y un buen generador de señal podría actualizar su salida cada nanosegundo Eso significa que solo puedes cambiar el intervalo entre pulsos (y la longitud de cada pulso) en incrementos de uno nanosegundo

Imagine que desea medir la frecuencia y amplitud de Un campo magnético variable. Sabes que el campo magnético varía a una frecuencia de aproximadamente 5 MHz (eso significa que en 100ns, el campo va de completamente positivo a completamente negativo). Pero no sabes el frecuencia exactamente. Para encontrar el campo magnético, pisas tu pulso intervalo a lo largo del tiempo para cubrir todo el rango de interés. Tú encontrar … nada. �Por qué? Porque el campo magnético estaba variando a una frecuencia que se encuentra entre los pasos más pequeños que puedas tomar.

Este mismo problema se aplica al control de qubits. En un dispositivo con múltiples qubits, cada uno es un poco diferente y tiene que ser controlado con un conjunto ligeramente diferente de pulsos de microondas. los la resolución de nuestros instrumentos no permite que esto sea optimizado muy bien

Resulta que la forma de evitar esto es tratar el Electrón un poco más agradable. En lugar de aplicar repetidamente una pelota de béisbol murciélago, aplicamos un empuje suave al electrón. Este microondas suave el pulso tiene el interesante efecto de aumentar el tiempo resolución de los pulsos. Y, como resultado, tenemos mayor frecuencia resolución (y mejor control de qubit).