Разработано мастер-уравнение для развития квантовых технологий

По мере того, как размеры современных технологий уменьшаются до наноразмеров, удивительные квантовые эффекты – такие как квантовое туннелирование, суперпозиция и запутанность – становятся заметными.

Это открывает двери в новую эру квантовых технологий, где квантовые эффекты могут быть использованы. Многие повседневные технологии регулярно используют управление с обратной связью; важным примером является кардиостимулятор, который должен отслеживать сердцебиение пользователя и подавать электрические сигналы для управления им только когда это необходимо.

Но у физиков еще нет эквивалентного понимания управления обратной связью на квантовом уровне.

Теперь физики разработали "главное уравнение", которое поможет инженерам понять обратную связь на квантовом уровне.

"Очень важно изучить, как управление с обратной связью может быть использовано в квантовых технологиях, чтобы разработать эффективные и быстрые методы управления квантовыми системами, чтобы ими можно было управлять в реальном времени и с высокой точностью", - говорит соавтор нового исследования Берн Анби –Андерссон, квантовый физик из Лундского университета в Швеции.

Примером важнейшего процесса управления с обратной связью квантовых вычислений является квантовая коррекция ошибок. Квантовый компьютер кодирует информацию на физических кубитах, которые могут быть фотонами света или, например, атомами. Но квантовые свойства кубитов хрупкие, поэтому существует вероятность, что закодированная информация будет потеряна, если кубиты будут нарушены вибрациями или колебаниями электромагнитных полей. Это означает, что физики должны уметь выявлять и исправлять такие ошибки, например посредством управления с обратной связью. Такая коррекция ошибок может быть реализована путем измерения состояния кубит и, в случае обнаружения отклонения от ожидаемого, применения обратной связи для его исправления.

Но управление с обратной связью на квантовом уровне является уникальной проблемой именно из-за хрупкости, которую физики пытаются уменьшить. Эта хрупкая природа означает, что даже процесс обратной связи может разрушить систему. "Необходимо лишь слабо взаимодействовать с измеряемой системой, сохраняя свойства, которые мы хотим использовать", – говорит Аннби-Андерссон.

Поэтому важно разработать полное теоретическое понимание квантового управления с обратной связью, чтобы установить его фундаментальные ограничения. Но большинство текущих теоретических моделей квантового управления с обратной связью требуют компьютерного моделирования, которое обычно дает количественные результаты только конкретных систем. "Трудно сделать общие качественные выводы", - говорит Аннби-Андерссон. "Те некоторые модели, которые могут дать качественное понимание, применимы только к узкому классу систем, управляемых обратной связью - этот тип обратной связи обычно называют линейной обратной связью".

Ручка и бумага

Аннби-Андерссон и его коллеги разработали основное уравнение, названное "квантовым уравнением Фоккера-Планка", позволяющее физикам отслеживать эволюцию любой квантовой системы с обратной связью во времени. "Уравнение может описывать сценарии, выходящие за рамки линейной обратной связи", - говорит Аннби-Андерссон. В частности, уравнение можно решить с помощью ручки и бумаги, а не полагаться на компьютерное моделирование.

Команда проверила свое уравнение, применив его к простой модели обратной связи. Это подтвердило, что уравнение дает физически обоснованные результаты, а также продемонстрировало, как можно собирать энергию в микроскопических системах, используя управление с обратной связью. "Уравнение является перспективной отправной точкой для будущих исследований того, как можно манипулировать энергией с помощью информации на микроскопическом уровне", – говорит Аннби-Андерссон.

Сейчас команда исследует систему, использующую обратную связь для манипулирования энергией в "квантовых точках" – крошечных полупроводниковых кристаллах размером в миллиардные доли метра. "Важным направлением в будущем является использование уравнения как инструмента для изобретения новых протоколов обратной связи, которые могут быть использованы в квантовых технологиях", - говорит Аннби-Андерссон.

Их результаты были недавно опубликованы в журнале Physical Review Letters.