С начала 1980-х исследователи смогли экспериментально реализовать эту суперпозицию квантовых состояний в лаборатории, используя различные подходы. "Однако эти кошачьи состояния чрезвычайно чувствительны. Даже малейшее тепловое взаимодействие с окружающей средой вызывает их коллапс », – объясняет Томмазо Каларко из Forschungszentrum Julich.
Среди прочего, он играет ведущую роль в крупной европейской квантовой инициативе, программе ЕС Quantum Flagship. "По этой причине в состояниях кота Шредингера можно реализовать только значительно меньшее количество квантовых битов, чем тех, которые существуют независимо друг от друга."
Из последних состояний ученые теперь могут контролировать более 50 в лабораторных экспериментах.
Однако эти квантовые биты, или для краткости кубиты, не отображают особых характеристик кота Шредингера в отличие от 20 кубитов, которые команда исследователей создала с помощью программируемого квантового симулятора, тем самым установив новый рекорд, который все еще действителен, даже если учитываются другие физические подходы с оптическими фотонами, захваченными ионами или сверхпроводящими квантовыми цепями.
Эксперты из нескольких самых известных институтов мира объединили свои усилия для разработки эксперимента. Помимо исследователей Джулиха, в исследовании участвовали ученые из многих ведущих американских университетов – Гарварда, Беркли, Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института, а также из итальянского Университета Падуи.
«Кубиты в состоянии кошки считаются чрезвычайно важными для развития квантовых технологий», – объясняет Цзянь Цуй. «Секрет огромной эффективности и производительности, ожидаемой от квантовых компьютеров будущего, кроется в этой суперпозиции состояний», – говорит физик из Института Питера Грюнберга в Юлихе (PGI-8).
Классические биты в обычном компьютере всегда имеют только одно определенное значение, например, состоящее из 0 и 1. Следовательно, эти значения можно обрабатывать только побитно, одно за другим. Кубиты, которые имеют несколько состояний одновременно из-за принципа суперпозиции, могут хранить и обрабатывать несколько значений параллельно за один шаг.
Здесь решающее значение имеет количество кубитов. С горсткой кубитов далеко не уедешь. Но с 20 кубитами количество наложенных состояний уже превышает миллион.
А 300 кубитов могут хранить одновременно больше чисел, чем частиц во Вселенной.
Новый результат в 20 кубитов теперь немного приближается к этому значению после того, как старый рекорд в 14 кубитов оставался неизменным с 2011 года. Для своего эксперимента исследователи использовали программируемый квантовый симулятор на основе массивов ридберговских атомов.
В этом подходе отдельные атомы, в данном случае атомы рубидия, захватываются лазерными лучами и удерживаются на месте рядом друг с другом. Техника также известна как оптический пинцет. Дополнительный лазер возбуждает атомы до тех пор, пока они не достигнут ридберговского состояния, в котором электроны находятся далеко за пределами ядра.
Этот процесс довольно сложен и обычно занимает слишком много времени, так что хрупкое состояние кошки разрушается еще до того, как его можно будет измерить.
Группа в Юлихе предоставила свой опыт в области квантового оптимального управления для решения этой проблемы. Умело выключая и включая лазеры с нужной скоростью, они добились ускорения в процессе подготовки, что сделало возможным этот новый рекорд.
«Мы практически раздули некоторые атомы до такой степени, что их атомные оболочки сливаются с соседними атомами, образуя одновременно две противоположные конфигурации, а именно возбуждения, занимающие все четные или нечетные узлы», – объясняет Цзянь Цуй. «Это заходит так далеко, что волновые функции перекрываются, как в аналогии с котом Шредингера, и мы смогли создать суперпозицию противоположных конфигураций, которая также известна как состояние Гринбергера-Хорна-Цайлингера."
Их успехи в квантовых исследованиях были дополнены усилиями китайской исследовательской группы, которые также были опубликованы в текущем выпуске журнала Science.
Используя сверхпроводящие квантовые схемы, исследователям удалось создать 18 кубитов в состоянии Гринбергера-Хорна-Цайлингера, что также является новым рекордом для этого экспериментального подхода.