В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые показали, как определенные квантовые состояния могут сохранять свою критическую информацию даже при нарушениях из-за шума окружающей среды.

Почему это исследование так важно

• Более надежная квантовая технология - Этот прорыв может привести к созданию более стабильных квантовых компьютеров и сетей, что сделает технологии будущего более быстрыми, безопасными и широко доступными.
• Улучшенная медицинская визуализация и искусственный интеллект - Способность сохранять квантовую информацию может усовершенствовать методы медицинской визуализации и улучшить диагностику на основе искусственного интеллекта, что приведет к более совершенным решениям в области здравоохранения.
• Повышенная безопасность данных - Квантовые сети, защищенные от помех, могли бы обеспечить сверхбезопасную связь, защищая личные и финансовые данные от киберугроз.

"Что мы обнаружили, так это то, что топология является мощным ресурсом для кодирования информации в присутствии шума", - говорит профессор Эндрю Форбс из Физической школы Уитса.

Квантовая запутанность - это невидимая связь между частицами, которая позволяет им мгновенно взаимодействовать, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Этот принцип является предметом научно-популярной литературы и краеугольным камнем современных квантовых технологий. Однако, как известно, Эйнштейн отверг это как "жуткое действие на расстоянии".

К сожалению, квантовые запутанные состояния, как известно, хрупки и распадаются, когда они испытывают возмущения, такие как фоновый и рассеянный свет, зашумленные детекторы, потерянные фотоны и другие источники "белого" шума - обычные эффекты в квантовых системах реального мира, которые могут разорвать связь между частицами, сделав их запутанную связь бесполезной.

Чтобы преодолеть это, было выдвинуто множество стратегий, направленных на то, чтобы попытаться сохранить запутанность, но пока с очень ограниченным успехом. Команда Wits показала, что этим подходом можно манипулировать, позволяя запутанности оставаться хрупкой и вместо этого сохранять квантовую информацию.

"Мы тщательно разрабатываем квантовую волновую функцию - математическое описание, которое фиксирует все возможные состояния квантовой системы, - чтобы сохранить квантовую информацию, которая остается стабильной даже тогда, когда лежащие в ее основе квантовые связи начинают разрушаться", - говорит Форбс.

Исследователи обнаружили, что, создавая квантовые состояния с определенными топологическими свойствами, они могут сохранять квантовую информацию даже тогда, когда запутанность между частицами начинает разрушаться.

"Что мы обнаружили, так это то, что топология является мощным ресурсом для кодирования информации в присутствии шума. Он имеет большой алфавит кодирования, который полностью невосприимчив к шуму до тех пор, пока сохраняется хотя бы некоторая запутанность".

Профессор. Роберт де Мелло Кох объясняет, что эту манипуляцию топологией квантовой формы сигнала можно рассматривать как форму "оцифровки квантовой информации", ставшую возможной благодаря дискретной природе топологических наблюдаемых, которые принимают только целые значения, такие как -2, -1, 1 и 2.

"Дискретные сигналы всегда более устойчивы к воздействию шума. Это следует из того, что для дискретных сигналов шум должен быть способен переключать сигнал между двумя дискретными состояниями, прежде чем будет зарегистрирован какой-либо эффект."

Команда считает, что точно так же, как цифровые технологии обеспечили успешные классические вычисления и коммуникацию, так и цифровые квантовые сигналы позволят проводить успешные квантовые вычисления и коммуникацию в реалистичных условиях без необходимости в компенсирующих стратегиях.

"Этот прорыв может быть использован для преодоления помех в квантовых компьютерах, а также в глобальных квантовых сетях для следующего поколения квантовых технологий. Это может быть особенно ценно при создании передовых технологий медицинской визуализации и более мощных систем искусственного интеллекта, использующих запутанность", - говорит Forbes.