Une équipe de jeunes scientifiques de l'Institut des sciences naturelles et mathématiques de l'Université d'État de l'Oural du Sud, sous la direction du physicien et mathématicien professeur Sergei Podoshvedov, ont proposé un générateur algorithmique de l'état non classique de la lumière représentant un "état du chat de Schrödinger" de très grande amplitude. Cet algorithme joue un rôle important dans le couplage quantique et les calculs quantiques dans le domaine optique avec l'utilisation de sources laser. Les résultats de ce travail ont été publiés dans Rapports scientifiques .

Le chat est-il mort ou vivant ?

Les chercheurs étudient activement divers domaines de la mécanique quantique. L'un d'eux comprenait l'idée de générer des états de lumière non classiques. Les chercheurs ont examiné quelles conditions doivent être créées pour travailler avec la transmission d'informations quantiques et déterminé la possibilité de créer de telles conditions dans la réalité. Cette tâche présente un intérêt à la fois du point de vue fondamental (c'est-à-dire, si c'est possible), et de celui appliqué, puisque les signaux lumineux sont capables de transmettre des informations quantiques à l'aide de particules intriquées. Les scientifiques de SUSU ont proposé un algorithme pour créer un état de lumière dans lequel les photons sont dans un état de chat de Schrödinger.

En 1935, le physicien autrichien Erwin Schrödinger, l'un des premiers chercheurs en mécanique quantique, a proposé une célèbre expérience de pensée impliquant un chat parqué dans une chambre. Sa vie dépend de la désintégration d'un atome radioactif; si l'atome se désintègre, un relais s'active et libère un marteau qui brise un flacon de poison, et le chat est empoisonné; si l'atome ne se désintègre pas, le chat reste vivant. Une fois la chambre ouverte, l'observateur ne peut être témoin que d'un des deux états :le noyau s'est désintégré, et le chat est mort, ou le noyau ne s'est pas désintégré, et le chat est vivant. Avant que cela n'arrive, le chat hypothétique est à la fois mort et vivant.

L'illustration de Schrödinger décrit le principal paradoxe de la physique quantique :les particules, comme les électrons, des photons et même des atomes, peut exister dans deux états à la fois. La création d'éléments optiques avec l'utilisation de particules élémentaires pour les ordinateurs quantiques est une voie prometteuse. Le plus probable, cependant, un ordinateur quantique sera conçu sur la base de plusieurs systèmes physiques, y compris l'utilisation de qubits optiques.

Dans les calculs quantiques, l'état du chat de Schrödinger est un état intriqué (couplé) spécial de qubits, dans lequel ils sont tous dans une superposition égale de tous les zéros et les uns.

"Les qubits peuvent être affectés par le milieu environnant et, donc, nécessitent des systèmes informatiques fiables. Tout cela impose des exigences très strictes à tout système physique basé sur des qubits, ainsi que les portes quantiques qui transforment les états d'entrée des qubits en états de sortie. Différents systèmes physiques peuvent être utilisés pour différents protocoles quantiques. En particulier, puisque la lumière a la vitesse de propagation maximale possible et interagit faiblement avec l'environnement bruyant environnant, les systèmes optiques sont placés aux côtés des systèmes atomiques lors de l'élaboration des configurations possibles d'un ordinateur quantique, " explique Dmitrii Kuts.

La condition de superposition rend les ordinateurs quantiques incroyablement puissants. Mais cela complique considérablement les calculs. Les qubits ne doivent pas simplement maintenir leur état; ils doivent également interagir les uns avec les autres. Et la situation se complique lorsqu'on considère l'interaction entre des dizaines ou des centaines de qubits.

De nouvelles étapes pour atteindre l'objectif

Les scientifiques ont l'intention de mener des expériences pour créer une source déterminée de lumière intriquée indépendante des conditions initiales. La création à la demande d'une source d'intrication est un élément crucial pour la mise en œuvre pratique de tous les protocoles quantiques, y compris la création d'un ordinateur quantique. La promesse de l'informatique quantique consiste à mettre en œuvre efficacement des algorithmes insolubles pour exécuter des fonctions telles que choisir rapidement la bonne solution parmi des millions d'options, ou à la recherche de données non triées, qui ne peuvent pas être exécutés efficacement par des ordinateurs fonctionnant selon les lois classiques. Mais pour réaliser un ordinateur quantique fonctionnel, un ensemble polyvalent d'opérations déterminées avec un grand ensemble de qubits doit être effectué efficacement. La diversité des états possibles d'un qubit augmente significativement sa capacité, et donc, la puissance de calcul potentielle d'un ordinateur.

"Comme règle, les expériences de conduction des chercheurs ne peuvent mettre en œuvre qu'un nombre très limité d'états utiles en pratique. Une mise en œuvre à la demande d'un état quantique souhaité est la clé du fonctionnement des états quantiques et d'un grand nombre de divers protocoles quantiques. En substance, un ordinateur quantique est lui-même un générateur de l'état de sortie requis, dont les informations sont extraites au moyen de mesures. On peut dire la même chose de, par exemple, un protocole de téléportation quantique d'un état inconnu, ou, Disons, d'un internet quantique. Toute progression, que ce soit un nouveau mécanisme ou un nouvel algorithme en ingénierie quantique, rapproche l'humanité de la réalisation d'un ordinateur quantique efficace et tente de regarder au-delà des limites du monde physique, " dit Sergueï Podoshvedov.

Bien que plusieurs approches des ordinateurs quantiques optiques aient été proposées, aucun n'est complètement satisfaisant; les propositions existantes sont assez compliquées ou ont une application limitée. Par exemple, la mise en oeuvre d'une opération logique simple nécessiterait un nombre inacceptable d'opérations supplémentaires. Si efficacement en utilisant les ressources optiques, mécanismes d'interaction et états appropriés est encore une question ouverte. L'ingénierie quantique des états reste un problème non résolu du traitement quantique de l'information.

L'état du chat de Schrödinger pourrait permettre aux chercheurs de réduire les pertes lors du traitement quantique de l'information, et peut être créé dans n'importe quel environnement avec de grandes amplitudes. Néanmoins, un certain nombre de problèmes surviennent lorsque l'on travaille avec eux. Par exemple, ces états doivent être stables, et les opérations quantiques doivent être effectuées très rapidement. Des scientifiques du monde entier travaillent à la résolution de ces tâches.