Возможно ли квантово запутать частицы в массовом масштабе?

Уменьшите скорость, с которой вы теряете запутанность

(Документ для тех, кто хочет его прочитать, называется Humphreys et al. 2018. )

Эй, проблема здесь не в запутывании частиц как таковых — проблема в том, чтобы удерживать их запутанными. Авторы подчеркивают, что нас интересует не только скорость, с которой мы запутываем частицы.$r_{\text{ent}}$, но и скорость декогеренции $r_{\text{dec}}$, скорость, с которой частицы декогерентны, часто из-за взаимодействия с их непосредственным окружением. Это разрушает запутанность и является огромной проблемой в квантовых вычислениях по ряду причин. Теперь вам нужно иметь$r_{\text{ent}}>r_{\text{dec}}$иметь чистый положительный прирост запутанных пар, или, как они выразились, эффективность квантовой связи$\eta\equiv r_{\text{ent}}/r_{\text{dec}}>1$. Если$\eta<1$, число запутанных частиц уменьшается.

Рассматриваемое исследование дает коэффициенты запутанности$r_{\text{ent}}=39\text{ Hz}$(где наши единицы относятся к частицам, запутанным в секунду). Предыдущая работа ( Stockhill et al. 2017 ) показала уровень запутывания до$r_{\text{ent}}\sim1000\text{ Hz}$используя объекты, называемые квантовыми точками, но ценой$r_{\text{dec}}\sim10^7\text{ Hz}$, при КПД всего$\eta\sim10^{-4}$, чистый убыток. Большой скачок здесь привел к значительному увеличению$\eta$за счет низкой скорости декогеренции. С$r_{\text{dec}}=5\text{ Hz}$, Хамфрис и др. достигнута эффективность$\eta=39/5\approx8$. Эффективность квантовой связи значительно выше, чем$\eta=1$возможны!

Вернемся к квантовым точкам. Стокхилл и др. удалось запутать кубиты со скоростью$r_{\text{ent}}=7300\text{ Hz}$- почти в 200 раз больше каждую секунду! Но есть пределы того, как быстро вы можете запутывать частицы, и эти ограничения устанавливаются вашей экспериментальной установкой. Например, для эксперимента с квантовыми точками требовались лазеры, детекторы, магнитное поле и множество дополнительного оборудования. Таким образом, вам придется улучшить экспериментальную установку, чтобы увеличить$r_{\text{ent}}$. Авторы предположили, что они могут достичь$r_{\text{ent}}\approx130000\text{ Hz}$с особыми апгрейдами.

Опять же, вам все равно придется иметь дело со скоростью декогеренции. Но повышение$r_{\text{ent}}$на столько - в 20 раз - метод квантовых точек потенциально более осуществим с точки зрения эффективности.$\eta$. Вам просто нужно иметь дело с декогеренцией.

Люди заметили, что по сравнению с количеством частиц, с которыми мы взаимодействуем в макроскопических масштабах, вы можете запутать только небольшое количество частиц в разумных временных масштабах. Это верно, но при этом упускается из виду тот факт, что вам, вероятно, не нужно абсурдно большое количество запутанных пар. Например, квантовые компьютеры могут выполнять довольно мощные вычисления с несколькими тысячами кубитов , и даже десятки кубитов обеспечат отличную производительность для некоторых задач. Так что я подозреваю, что это вообще не проблема.

Если бы мы производили кубиты, используя методы Хамфриса и др., чистый прирост запутанных частиц был бы

Забудьте о запутывании частиц в массовом масштабе. Это непосильная задача. Почему?

Начнем с вашего утверждения

метод, который может генерировать 40 запутываний по запросу за одну секунду.

Сколько атомов в существенном количестве массы? Давайте останемся простыми и рассмотрим водород. В 1 грамме водорода содержится 2 моля атомарного водорода, значит $2 \cdot 6.022 \cdot 10^{23} = 1.2 \cdot 10^{24}$атомы.

Сколько времени потребуется, чтобы запутать все эти атомы с указанной вами скоростью?

$1.2 \cdot 10^{24}/40 = 3 \cdot 10^{22}$секунды.

Сколько времени?

Согласно этой странице Википедии , возраст Вселенной составляет около$10^{15}$секунд, так что понадобится в 10 миллионов раз больше возраста Вселенной, чтобы закончить запутывание 1 жалкого грамма водорода с такой скоростью!

Даже если вы увеличите скорость запутывания в 10 миллионов раз*, вам все равно потребуется целая эпоха Вселенной, чтобы выполнить задачу.

* ни одна человеческая технология не приблизилась к этому уровню улучшения, кроме производства ИС

Нет действия на расстоянии.

Фундаментальное ограничение квантовой запутанности заключается в том, что ее нельзя использовать для передачи информации. В идеале вы хотели бы запутать частицу A с частицей B так, чтобы когда частица A вибрирует вверх, затем частица B вибрирует вверх, а затем частица A вибрирует вниз, а затем частица B вибрирует вниз. Поместите каждую частицу в космические корабли и отправьте их в противоположные стороны. Когда вы хотите отправить информацию между космическими кораблями, вы просто покачиваете свою частицу азбукой Морзе, а другая частица произносит то же самое сообщение на другой стороне.

Легко, верно? Неправильный! Не может быть сделано! Я на самом деле не уверен, почему. Я думаю, это потому, что когда один из них впервые открывает коробку и смотрит на свою частицу, запутанность разрывается, и частицы больше не реагируют друг на друга.

Итак, Алиса открывает коробку и говорит: «Ага, она вибрирует вверх. Думаю, у Боба тоже вибрирует вверх». И это конец истории. Она не может сказать, вибрирует ли он вверх, потому что ему сказал Боб, или, может быть, он всегда вибрировал вверх, а Боб никогда к нему не прикасался.

Поскольку мы не можем общаться, мы также не можем делать ничего, что могло бы косвенно общаться. Это включает практически любую форму действия на расстоянии. Таким образом, вы не можете спутать две вещи, которые находятся далеко. Вы должны собрать их вместе, запутать, а затем разослать.