تستخدم تجربة جديدة كيوبتات فائقة التوصيل لإثبات أن ميكانيكا الكم تنتهك ما يسمى الواقعية المحلية. الواقعية المحلية ليست التجربة الأولى لإظهار كيفية عمل الكون – فهي ليست أول تجربة يتم إجراؤها على الكيوبتات.
ولكن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها فصل الكيوبتات بمسافة كافية للتأكد من أنه عند إجراء القياسات ، لا يكون الضوء بالسرعة الكافية للتنقل بينها. لقد فعلت ذلك عن طريق تبريد سلك ألمنيوم طوله 30 مترًا إلى بضعة ملي كلفن. نظرًا لسهولة التحكم في الكيوبتات ، توفر التجربة مستوى جديدًا من الدقة لهذه الأنواع من القياسات. قد يكون نظام الأجهزة ضروريًا لجهود الحوسبة الكمومية في المستقبل.
الحصول على الواقعية حول الواقعية
اشتهر ألبرت أينشتاين بعدم الاستقرار بسبب بعض عواقب التشابك الكمومي. إذا كانت ميكانيكا الكم صحيحة ، فإن زوجًا من الأجسام المتشابكة سيعمل ككيان كمي واحد بغض النظر عن المسافة بينهما. يجب أن يؤدي تغيير حالة أحدهما إلى تغيير حالة كليهما على الفور ، حيث يحدث التغيير بشكل أسرع من انتقال الضوء بين الجسمين. جادل أينشتاين بأن هذا خطأ.
على مر السنين ، اقترح الناس إصدارات مختلفة من ما يسمى بالمتغيرات المخفية – الخصائص الفيزيائية المشتركة بين الكائنات التي تتيح سلوكًا مشابهًا للمشكلة أثناء الاحتفاظ بالمعلومات التي تحدد هذا السلوك. المتغيرات الخفية تحافظ على ما يسمى “الواقعية المحلية” ولكنها لا تستطيع في الواقع وصف واقعنا.
أشار الفيزيائي جون بيل إلى أن جميع الهياكل المتغيرة المحلية تظهر مدى ارتباط سلوك الأجسام الكمومية. لكن ميكانيكا الكم تتوقع أن تكون الارتباطات أكثر من ذلك. من خلال قياس سلوك أزواج الجسيمات المتشابكة ، يمكننا تحديد ما إذا كانت تنتهك معادلات بيل وإثبات بوضوح أن المتغيرات الخفية لا تفسر سلوكها.
كانت الخطوات المبكرة تجاه هذا العرض ضعيفة بالنسبة للمتغيرات الخفية ، ولكنها سمحت بوجود ثغرات – على الرغم من انتهاك عدم مساواة بيل ، كان من الممكن أن تنتقل المعلومات بين الأجسام الكمومية بسرعة الضوء. ولكن على مدى العقود القليلة الماضية ، تم إغلاق الثغرات تدريجياً وتم منح جوائز نوبل.
فلماذا العودة للاختبارات؟ تمنحنا Qubits مزيدًا من التحكم في النظام ، مما يسمح لنا بإجراء عدد كبير من التجارب بسرعة واستكشاف سلوك هذه المشكلة. ولأنه تحد تقني مثير للاهتمام. يتم التحكم في الكيوبتات فائقة التوصيل عن طريق إشعاع الميكروويف ، ويتطلب احتجازها نقل بعض فوتونات الميكروويف منخفضة الطاقة للغاية بين الاثنين. يعد القيام بكل شيء دون إحداث فوضى في الضوضاء البيئية تحديًا خطيرًا.
عمل مخيف على ارتفاع 30 مترا
يعد انتهاك عدم مساواة بيل مسألة بسيطة نسبيًا تتمثل في قياس الجسيمات المتشابكة بشكل متكرر وإظهار أن مواقعها مترابطة. إذا تجاوز هذا الارتباط قيمة حرجة ، فنحن نعلم أن المتغيرات المخفية لا يمكنها تفسير هذا السلوك. يتم إنشاء كيوبتات فائقة التوصيل تسمى ترانسلون ، مما يجعل القياس تافهًا ودقيقًا وسريعًا. لذلك هذا الجزء بسيط.
إن إزالة إحدى الثغرات الرئيسية في هذه المقاييس تجعل الأمور صعبة. عليك إثبات أن الارتباط في القياسات لا يمكن التوسط فيه من خلال المعلومات التي تنتقل بسرعة الضوء. نظرًا لأن القياسات تستغرق بعض الوقت حتى يتم إجراؤها ، يجب فصل الكيوبتين بمسافة كافية للسماح بإكمال القياس قبل انتقال الضوء بينهما. بناءً على المدة التي تستغرقها القياسات ، قدر فريق البحث وراء العمل الجديد في ETH Zurich أن 30 مترًا كافية.
بينما في أسفل القاعة في مبنى مختبر مختلف ، فإن 30 مترًا يمثل تحديًا أكبر بسبب العملية المعقدة ، التي تستخدم فوتونات ميكروويف منخفضة الطاقة يمكن فقدها بسهولة في بحر من الضوضاء البيئية. من الناحية العملية ، يجب أن يظل أي شيء مرتبط بهذه الفوتونات في نفس درجة حرارة الملي كلفن مثل الكيوبتات. لذلك يجب تبريد سلك الألمنيوم بطول 30 مترًا والذي يعمل كدليل موجي للموجات الدقيقة إلى جزء من درجة أعلى من الصفر.
من الناحية العملية ، يعني هذا توفير مجموعة كاملة مصممة للوصول البارد إلى السلك لأنظمة تبريد الهيليوم السائل التي تحمل الكيوبتات في كل طرف – ونظام تبريد منفصل عند النقطة المركزية للأنبوب البالغ طوله 30 مترًا. تطلب النظام اتصالات داخلية مرنة ودعائم خارجية لأن كل شيء يتقلص بشكل كبير عندما يبرد.
ومع ذلك ، فقد نجح كل شيء بشكل رائع. بسبب كفاءة الكيوبتات ، يمكن للباحثين إجراء أكثر من مليون تجربة فردية في 20 دقيقة فقط. نتج عن الارتباطات أعلى من الحد الذي حددته معادلة بيل بـ 22 انحرافًا معياريًا. بعبارة أخرى ، كانت القيمة الاحتمالية للنتيجة أقل من 10-108.
أشياء قادمة؟
العاملان الرئيسيان اللذان يحدان من أداء النظام هما الأخطاء في الكيوبتات وفقدان الفوتونات المستخدمة لاحتجازها. يعتقد الباحثون أنه يمكنهم تحسين كليهما ، والذي سيكون الاختبار الأكثر صرامة لتباينات بيل. لكن يمكن أن يصبح العمل أكثر أهمية بسبب كيفية تعقيده للكيوبتات.
يقول كل أولئك الذين يعملون مع كيوبتات فائقة التوصيل إنهم سيحتاجون في النهاية إلى دمج الآلاف في كمبيوتر كمي واحد. لسوء الحظ ، تتطلب كل من هذه الكيوبتات مساحة كبيرة على الشريحة ، مما يعني أنه من الصعب بناء أكثر من بضع مئات من الرقائق. لذلك يخطط اللاعبون الرئيسيون مثل Google و IBM للجمع في النهاية بين عدة شرائح في جهاز كمبيوتر واحد (وهو ما تقوم به شركة Rigetti الناشئة بالفعل).
ومع ذلك ، بالنسبة لعشرات الآلاف من الكيوبتات ، سنحتاج بالتأكيد إلى العديد من الرقائق ، وسيكون من الصعب الاحتفاظ بها جميعًا على نفس الجزء من أجهزة التبريد. هذا يعني أننا نريد في النهاية دمج الرقائق في أنظمة تبريد مختلفة – كما هو موضح بالضبط هنا. لذا فهذا دليل مهم على أنه ، في الواقع ، يمكن دمج الكيوبتات في هذه الأنواع من الأنظمة.
الطبيعة ، 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05885-0 (حول DOIs).
