Revolucionarna tehnika menja kvantnu fiziku: Otkriće iz 1932. otvara put moćnijim kvantnim računarima

Fizičari sa Univerziteta Aalto postigli su revolucionarni napredak u kvantnoj mehanici, redefinišući proces prelaska između energetskih nivoa u kvantnim sistemima. Njihova metoda omogućava da se kvantni sistem prebaci iz jednog stanja u drugo bez direktne interakcije sa posrednim nivoom, što je ranije bilo smatrano nemogućim. Ovo otkriće može imati ogroman uticaj na razvoj moćnijih i efikasnijih kvantnih računara, prenosi SciTech Daily.

Koristeći superprovodni sklop, tim istraživača uspeo je da zaobiđe ograničenja koja su nametnuta zakonima kvantne fizike i postigne nešto što je do sada bilo izvan domašaja eksperimentalne fizike. Njihova studija, objavljena u Physical Review Letters, predstavlja korak napred u razumevanju i kontroli kvantnih sistema.

Preporučujemo

Još davne 1932. godine, četiri poznata fizičara - Lev Landau, Klarens Zener, Ernst Štikelberg i Etore Majorana - razvili su matematičku formulu za izračunavanje verovatnoće prelaska između dva energetska stanja u sistemima sa vremenski promenljivom energijom. Njihov rad postao je temelj za mnoga kasnija istraživanja u kvantnoj mehanici i našao primenu u raznim oblastima fizike i hemije.

Njihova teorija opisuje kako kvantni sistemi prelaze iz jednog stanja u drugo kada su izloženi promenljivim spoljnim uslovima. Ovaj model je korišćen decenijama i bio je neizostavan u istraživanjima kvantnih tranzicija, ali se uvek odnosio samo na sisteme sa dva energetska nivoa.

Sada, gotovo sto godina kasnije, istraživači sa Univerziteta Aalto pokazali su da je moguće primeniti sličan princip i u sistemima sa više od dva energetska nivoa, otvarajući vrata novim mogućnostima u kvantnoj tehnologiji.

Tim istraživača, koji čine doktorand Isak Bjorkman, doktor Marko Kuzmanović i vanredni profesor Sorin Paraoanu, uspeo je da prebaci kvantni sistem iz osnovnog nivoa u drugi pobuđeni nivo, ali bez direktnog prelaska kroz prvi pobuđeni nivo.

- Razvili smo električni kontrolni impuls koji menja stanje kubita iz osnovnog nivoa u drugi koristeći virtuelni proces kroz prvi nivo. Naša metoda donosi mnoge prednosti, uključujući to da ne moramo savršeno poznavati frekvenciju prelaza, dovoljna je gruba procena - objašnjava Bjorkman.

U klasičnoj kvantnoj mehanici, takav prelazak bio bi zabranjen, jer ne postoji direktna veza između ta dva nivoa. Međutim, primenom istovremenih Landau-Zener-Štikelberg-Majorana procesa, tim je uspeo da isprazni prvi pobuđeni nivo na kraju protokola, čineći ga kao da je preskočen.

Ovo otkriće nije samo teorijski proboj, već donosi i konkretne prednosti u praksi. Kontrolisani kvantni prelazi su ključni za razvoj kvantnih računara, a novi metod omogućava efikasnije upravljanje kvantnim bitovima (kubitima), koji su osnovni gradivni elementi kvantnih računara.

Paraonau objašnjava praktične implikacije ove tehnike jednostavnom analogijom:

- Zamislite da tražite svoju omiljenu radio stanicu, naša metoda omogućava da preskočite frekvencije i odmah dođete do željene, čak i ako ne možete precizno da je podesite.

Dakle, ovaj metod omogućava precizno ciljano podešavanje energetskih nivoa, čak i u sistemima sa nepredvidivim frekvencijskim varijacijama. Pored poboljšane kontrole, ova tehnika može povećati računarsku snagu kvantnih računara smanjenjem hardverskih zahteva.

Ova metoda smanjuje potrebu za dodatnim hardverom u kvantnim računarima. Drugim rečima, kvantni računari mogu postati moćniji i efikasniji koristeći manje resursa, što je ključno za njihovu širu primenu u budućnosti.

Jedna od dodatnih prednosti ove tehnike je njena robustnost. Prethodne metode zahtevale su izuzetno precizno podešavanje frekvencija i sofisticirane kontrolne šeme, dok nova metoda omogućava uspešan prelazak čak i kada postoji određena nesigurnost u frekvenciji.

- Povećanje broja nivoa u ovakvom sistemu drastično povećava njegovu složenost. Jedna od prednosti našeg pristupa je što dodavanje trećeg stanja postaje znatno lakše - kaže postdoktorant Kuzmanović, istraživač na Odeljenju za primenjenu fiziku Univerziteta Aalto. Ovo znači da se kvantni računarski sistemi mogu lakše proširivati i nadograđivati na složenije strukture, uz manju potrebu za dodatnim resursima i preciznim podešavanjima. Otkrića poput ovog mogla bi u budućnosti otvoriti put ka još naprednijim kvantnim računarima, sposobnim da rešavaju probleme koji su danas izvan dometa klasičnih računara.

Primena kvantnih računara nije ograničena samo na teorijsku fiziku—oni bi mogli imati ogroman uticaj na oblast farmacije, finansija, veštačke inteligencije i kriptografije. Bolja kontrola kvantnih stanja znači i pouzdanije kvantne simulacije, koje su ključne za razvoj novih materijala i lekova.

(Telegraf Nauka / SciTech Daily)