Buller begränsar prestanda för modern kvantteknik. Dock, partiklar som färdas i en superposition av banor kan kringgå brus i kommunikation. Ett samarbete mellan universiteten i Hongkong, Grenoble och Wien, liksom österrikiska vetenskapsakademin, under ledning av Philip Walther, avslöjar nya tekniker för att minska brus i kvantkommunikation. Resultaten, publicerad i det senaste numret av Fysisk granskningsforskning , visa att kvantpartiklar som färdas i en superposition av banor möjliggör brusreducering i kommunikation.

Bland de mest aktiva forskningsområdena inom modern fysik, både på akademisk nivå och bortom, är kvantberäkning och kommunikation, som tillämpar kvantfenomen som superposition och intrassling för att utföra beräkningar, eller för att utbyta information. Ett antal forskargrupper runt om i världen har byggt kvantanordningar som kan utföra beräkningar snabbare än någon klassisk dator. Än, det är fortfarande en lång väg kvar innan dessa enheter kan konverteras till säljbara kvantdatorer. En anledning till detta är att både kvantberäkning och kvantkommunikation försämras starkt av den lätthet som ett kvantöverlagringsläge kan förstöras, eller trassel mellan två eller flera kvantpartiklar kan gå förlorade.

Det primära tillvägagångssättet för att övervinna dessa begränsningar är tillämpningen av så kallade kvantfelkorrigerande koder. Detta, dock, kräver en mängd resurser som överstiger det som för närvarande kan uppnås på ett kontrollerat sätt. Medan, i det långa loppet, felkorrigering kommer sannolikt att bli en integrerad del av framtida kvantanordningar, ett kompletterande tillvägagångssätt är att dämpa bullret - det vill säga den kumulativa effekten av okorrigerade fel - utan att förlita sig på så många ytterligare resurser. Dessa kallas för brusreduceringssystem.

Bullerdämpning utan ytterligare resurser genom enkla kvantprogram

Ett nytt tillvägagångssätt längs denna forskningslinje föreslogs nyligen för att minska buller i ett kommunikationsschema mellan två parter. Tänk dig två parter som vill kommunicera genom att utbyta en kvantpartikel, ändå måste partikeln skickas över några felaktiga överföringslinjer (avbildad i den konstnärliga illustrationen).

Nyligen, ett team av forskare vid Hong-Kong University föreslog att en övergripande minskning av buller kan uppnås genom att rikta partikeln längs en kvantöverlagring av vägar genom bullerregioner i motsatt ordning. Särskilt, medan en partikel klassiskt bara kan färdas längs en väg, inom kvantmekanik kan den röra sig längs flera vägar samtidigt. Om man använder denna egenskap för att skicka partikeln längs två kvantbanor, man kan, till exempel, led partikeln över de bullriga områdena i motsatt ordning samtidigt. Denna effekt hade demonstrerats experimentellt av två oberoende forskningsundersökningar.

Dessa resultat föreslog att för att uppnå denna brusreducering, det är nödvändigt att placera de bullriga överföringslinjerna i en kvantöverlagring av motsatta ordningar. Strax efter detta, forskargrupper i Wien och i Grenoble insåg att denna effekt också kan uppnås via enklare konfigurationer, som till och med helt kan eliminera bullret mellan de två parterna.

Alla dessa system har nu implementerats experimentellt och jämförts med varandra av ett forskargrupp som leds av Philip Walther vid universitetet i Wien. I det här arbetet, olika sätt att passera genom två bullriga områden i kvantöverlagring jämförs för en mängd olika brustyper. De experimentella resultaten stöds också med numeriska simuleringar för att utvidga studien till mer generiska typer av buller. Förvånande, Det har visat sig att de enklaste systemen för kvantöverlagring av bullriga kanaler också erbjuder den bästa minskningen av det buller som påverkar kommunikation.

"Felkorrigering i modern kvantteknik är bland de mest angelägna behoven för nuvarande kvantberäknings- och kommunikationssystem. Vårt arbete visar att, åtminstone när det gäller kvantkommunikation, redan med den teknik som för närvarande används kan det vara möjligt att mildra problemet utan att behöva ytterligare resurser, "säger Giulia Rubino, första författare till publikationen i Fysisk granskningsforskning . Det enkla med den demonstrerade tekniken möjliggör omedelbar användning i nuvarande fjärrkommunikation, och lovar potentiella ytterligare tillämpningar inom kvantberäkning och kvanttermodynamik.