Физики создали нелинейный и упругий аналог кубита

Американские физики изготовили классический аналог кубита с нелинейностью. Он представляет собой две стальные сферы, в которых возбуждаются волны упругости. Оказалось, что механические колебания в такой системе можно математически интерпретировать в терминах суперпозиции двух базисных состояний, как это происходит в кубите. Упругий аналог кубита не страдает от декогеренции и позволяет считывать информацию о состоянии без его коллапса. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Квантовые вычисления — это одно из самых активных направлений сегодняшней физики. Их суть заключается в работе с кубитами — квантовым обобщением привычной информационной единицы. Благодаря явлениям квантовой суперпозиции и квантовой запутанности системы кубитов способны поддерживать вычислительные операции со скоростью, превышающей скорость традиционных компьютеров.

Главной проблемой на пути к построению квантовых компьютеров стали эффекты декогеренции, то есть потери квантового ресурса, вызванные взаимодействием с окружающей средой. Это явление служит преградой к масштабированию квантовых компьютеров, однако, для каждой физической платформы она разная. Например, компьютеры на основе сверхпроводящих кубитов остановились на отметке 433 единицы. Подробнее о сложностях создания квантовых компьютеров читайте в материале «Разминка для кубита».

Теоретическая мысль при этом сильно опережает эксперимент. Физики и математики продолжают придумывать новые алгоритмы, которые могли бы выполнять квантовые вычислители. Для их проверки ученые используют эмуляторы квантовых машин, которые запускаются на традиционных компьютерах. Про один такой эмулятор российского производства мы недавно рассказывали. Виртуальные квантовые компьютеры важны для сопровождения и коррекции экспериментов и на текущем этапе превосходят реальные квантовые вычисления в точности.

Возможен, однако, и другой подход. Если квантовые эмуляторы занимаются численным решением уравнений Шрёдингера для заданной конфигурации, то классические симуляторы поддерживают некоторую динамику своих степеней свободы, которая ведет себя так же, как состояния кубита. Работа в этом направлении ведется с объектами, которые поддерживают линейные акустические колебания. Преимущество такого подхода в том, что акустические системы могут поддерживать квантовую динамику настолько долго, насколько требуется, а измерение параметров можно провести без разрушения суперпозиции. Однако линейность колебаний существенно ограничивает возможность манипуляций над телами.

Создать классический симулятор кубита с нелинейными свойствами смогли Кази Махмуд и Ариф Хасан из Университета Уэйна в Детройте. Он представляет собой две касающиеся друг друга стальные сферы диаметрами чуть больше сантиметра, удерживаемые губчатыми тисками. Физики с помощью внешнего источника возбуждали в них продольные волны упругости в диапазоне частот от 100 до 20000 герц и следили за устоявшимися колебаниями системы.

Спектры собственных колебаний состояли из линейного отклика на частоте возбуждения и высших гармоник нелинейной природы. Авторы обнаружили, что на частоте 9,85 килогерца основные тоны в каждой сфере колеблются в фазе, а на частоте 9,05 килогерца — в противофазе. Оба этих колебания ученые использовали в качестве базиса в двумерном гильбертовом пространстве, которое также используется для описания одного кубита. Физики показали, что все остальные колебания могут быть сведены к суперпозиции базисных с комплексными коэффициентами и представлены в виде точек на сфере Блоха.

Важно при этом то, что колебания остаются когерентными долгое время. При этом нелинейность позволяет одновременно контролировать и фазу, и модуль колебаний с помощью всего одного параметра источника. В линейных системах, для полного контроля требуется управлять и амплитудой, и фазой внешнего воздействия.

Наконец, физики показали, что время входит в коэффициенты суперпозиции параметрически. Пользуясь этим, они показали экспериментальную реализацию вентиля Адамара, который превращает базисное состояние в суперпозиционное. В будущем авторы надеются получить классический аналог квантовой запутанности, добившись несепарабельности различных степеней свободы системы связанных сфер.

Механические системы чаще всего функционируют в классическом режиме, однако кубиты удается делать и из них. Мы уже рассказывали, как физики смогли запутать колебания двух мембран, а также довели время когерентности их механического колебания до 140 миллисекунд.