Även om kvantdatorer är en ung teknik och ännu inte är redo för rutinmässig praktisk användning, forskare har redan undersökt de teoretiska begränsningarna som kommer att binda kvantteknologier. En av de saker som forskare har upptäckt är att det finns gränser för hur snabbt kvantinformation kan rasa över vilken kvantenhet som helst.

Dessa hastighetsgränser kallas Lieb-Robinson gränser, och, för några år, några av gränserna har hånat forskare. För vissa uppgifter, det fanns ett gap mellan de bästa hastigheterna som teorin tillåter och de hastigheter som är möjliga med de bästa algoritmerna någon hade designat. Det är som om ingen biltillverkare kunde komma på hur man gör en modell som nådde den lokala motorvägsgränsen.

Men till skillnad från hastighetsbegränsningar på vägar, informationshastighetsgränser kan inte ignoreras när du har bråttom – de är de oundvikliga resultaten av fysikens grundläggande lagar. För varje kvantuppgift, det finns en gräns för hur snabbt interaktioner kan göra sitt inflytande märkt (och därmed överföra information) på ett visst avstånd. De underliggande reglerna definierar bästa möjliga prestanda. På det här sättet, informationshastighetsgränser är mer som maxpoängen på ett gammaldags arkadspel än trafiklagar, och att uppnå slutresultatet är ett lockande pris för forskare.

Nu ett team av forskare, ledd av JQI Fellow Alexey Gorshkov, har hittat ett kvantprotokoll som når de teoretiska hastighetsgränserna för vissa kvantuppgifter. Deras resultat ger ny inblick i utformningen av optimala kvantalgoritmer och bevisar att det inte har funnits en lägre, oupptäckta begränsar motarbetande försök att göra bättre design. Gorshkov, som också är fellow vid Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) och fysiker vid National Institute of Standards and Technology, och hans kollegor presenterade sitt nya protokoll i en nyligen publicerad artikel i tidskriften Fysisk granskning X .

"Det här gapet mellan maximala hastigheter och uppnåbara hastigheter hade stört oss, eftersom vi inte visste om det var bunden som var lös, eller om vi inte var smarta nog att förbättra protokollet, säger Minh Tran, en JQI och QuICS doktorand som var huvudförfattare på artikeln. "Vi hade faktiskt inte förväntat oss att det här förslaget skulle vara så kraftfullt. Och vi försökte mycket för att förbättra gränsen – det visade sig att det inte var möjligt. Så, vi är exalterade över det här resultatet."

Inte överraskande, den teoretiska hastighetsgränsen för att skicka information i en kvantenhet (som en kvantdator) beror på enhetens underliggande struktur. Det nya protokollet är designat för kvantenheter där de grundläggande byggstenarna – qubits – påverkar varandra även när de inte är precis bredvid varandra. Särskilt, teamet designade protokollet för qubits som har interaktioner som försvagas när avståndet mellan dem växer. Det nya protokollet fungerar för en rad interaktioner som inte försvagas för snabbt, som täcker interaktionerna i många praktiska byggstenar av kvantteknologier, inklusive kvävevakanscentra, Rydberg atomer, polära molekyler och fångade joner.

Avgörande, protokollet kan överföra information som finns i ett okänt kvanttillstånd till en avlägsen qubit, en viktig funktion för att uppnå många av de fördelar som utlovas av kvantdatorer. Detta begränsar hur information kan överföras och utesluter vissa direkta tillvägagångssätt, som att bara skapa en kopia av informationen på den nya platsen. (Det kräver att du känner till det kvanttillstånd du överför.)

I det nya protokollet, data som lagras på en qubit delas med dess grannar, med hjälp av ett fenomen som kallas kvantentanglement. Sedan, eftersom alla dessa qubits hjälper till att bära informationen, de arbetar tillsammans för att sprida det till andra uppsättningar av qubits. Eftersom fler qubits är inblandade, de överför informationen ännu snabbare.

Denna process kan upprepas för att fortsätta generera större block av qubits som skickar informationen snabbare och snabbare. Så istället för den enkla metoden att qubits skickar information en efter en som ett basketlag som skickar bollen längs banan, qubitarna är mer som snöflingor som kombineras till en större och snabbare rullande snöboll vid varje steg. Och ju större snöbollen är, desto fler flingor fastnar för varje varv.

Men det är kanske där likheterna med snöbollar slutar. Till skillnad från en riktig snöboll, kvantsamlingen kan också rulla upp sig själv. Informationen lämnas på den avlägsna qubiten när processen körs omvänt, återställer alla andra qubits till sina ursprungliga tillstånd.

När forskarna analyserade processen, de fann att snöbollen qubits hastighet längs informationen vid de teoretiska gränser som fysiken tillåter. Eftersom protokollet når den tidigare bevisade gränsen, inget framtida protokoll borde kunna överträffa det.

"Den nya aspekten är hur vi trasslar in två block av qubits, "Tran säger." Tidigare har det fanns ett protokoll som trasslade in information i ett block och sedan försökte slå samman qubits från det andra blocket till det en efter en. Men nu, eftersom vi också trasslar in qubits i det andra blocket innan vi slår samman det i det första blocket, förbättringen kommer att bli större."

Protokollet är resultatet av att teamet undersöker möjligheten att samtidigt flytta information lagrad på flera qubits. De insåg att att använda block av qubits för att flytta information skulle öka ett protokolls hastighet.

"På den praktiska sidan, protokollet tillåter oss att inte bara sprida information, men trasslar även in partiklar snabbare, " säger Tran. "Och vi vet att genom att använda intrasslade partiklar kan du göra många intressanta saker som att mäta och känna av med högre noggrannhet. Och att flytta information snabbt innebär också att du kan bearbeta information snabbare. Det finns många andra flaskhalsar i att bygga kvantdatorer, men åtminstone på den grundläggande gränssidan, vi vet vad som är möjligt och vad som inte är det."

Förutom de teoretiska insikterna och möjliga tekniska tillämpningar, Teamets matematiska resultat avslöjar också ny information om hur stor en kvantberäkning behöver vara för att simulera partiklar med interaktioner som qubitarna i det nya protokollet. Forskarna hoppas kunna utforska gränserna för andra typer av interaktioner och utforska ytterligare aspekter av protokollet, till exempel hur robust det är mot buller som stör processen.