Ny forskning ledet av et team av forskere ved The Australian National University (ANU) har skissert en måte å oppnå mer nøyaktige målinger av mikroskopiske objekter ved hjelp av kvantedatamaskiner – et trinn som kan vise seg nyttig i et stort spekter av neste generasjons teknologier, inkludert biomedisinsk sansing.
Å undersøke de ulike individuelle egenskapene til et stort hverdagsobjekt som en bil er ganske enkelt: en bil har en veldefinert posisjon, farge og hastighet. Dette blir imidlertid mye vanskeligere når man prøver å undersøke mikroskopiske kvanteobjekter som fotoner - bitte små lyspartikler.
Det er fordi visse egenskaper til kvanteobjekter henger sammen, og måling av en egenskap kan forstyrre en annen egenskap. For eksempel vil måling av posisjonen til et elektron påvirke hastigheten og omvendt.
Slike egenskaper kalles konjugerte egenskaper. Dette er en direkte manifestasjon av Heisenbergs berømte usikkerhetsprinsipp – det er ikke mulig å måle to konjugerte egenskaper til et kvanteobjekt samtidig med vilkårlig nøyaktighet.
Ifølge hovedforfatter og ANU Ph.D. forsker Lorcán Conlon, er dette en av de avgjørende utfordringene ved kvantemekanikk.
"Vi var i stand til å designe en måling for å bestemme konjugerte egenskaper til kvanteobjekter mer nøyaktig. Bemerkelsesverdig nok var våre samarbeidspartnere i stand til å implementere denne målingen i forskjellige laboratorier rundt om i verden," sa Conlon.
"Mer nøyaktige målinger er avgjørende, og kan i sin tur åpne for nye muligheter for alle slags teknologier, inkludert biomedisinsk sansing, laseravstandsmåling og kvantekommunikasjon.»
Den nye teknikken dreier seg om et merkelig innfall av kvantesystemer, kjent som sammenfiltring. Ifølge forskerne, ved å vikle to identiske kvanteobjekter og måler dem sammen, kan forskere bestemme egenskapene deres mer nøyaktig enn om de ble målt individuelt.
"Ved å vikle to identiske kvantesystemer kan vi skaffe oss mer informasjon," sa medforfatter Dr. Syed Assad. "Det er noe uunngåelig støy forbundet med å måle en hvilken som helst egenskap ved et kvantesystem. Ved å vikle de to sammen, kan vi redusere denne støyen og få en mer nøyaktig måling.»
I teorien er det mulig å vikle og måle tre eller flere kvantesystemer for å oppnå enda bedre presisjon, men i dette tilfellet stemte ikke eksperimentene med teorien. Likevel er forfatterne sikre på at fremtidige kvantedatamaskiner vil være i stand til å overvinne disse begrensningene.
"Kvantedatamaskiner med feilkorrigerte qubits vil kunne måle med flere og flere kopier i fremtiden," sa Conlon.
Ifølge professor Ping Koy Lam, A*STAR sjefkvanteforsker ved Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), er en av hovedstyrkene til dette arbeidet at en kvanteforbedring fortsatt kan observeres i støyende scenarier.
"For praktiske applikasjoner, for eksempel i biomedisinske målinger, er det viktig at vi kan se en fordel selv når signalet uunngåelig er innebygd i et støyende miljø i den virkelige verden," sa han.
Studien ble utført av eksperter ved ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T), i samarbeid med forskere fra A*STARs Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), University of Jena, University of Innsbruck, og Macquarie University. Amazon Web Services samarbeidet ved å tilby forskning og arkitektonisk støtte, og ved å gjøre Rigetti Aspen-9-enheten tilgjengelig ved hjelp av Amazon Bracket.
Forskerne testet teorien deres på 19 forskjellige kvantedatamaskiner, på tre forskjellige plattformer: superledende, fanget ion og fotoniske kvantedatamaskiner. Disse verdensledende enhetene er plassert over hele Europa og Amerika og er skytilgjengelige, slik at forskere fra hele verden kan koble seg sammen og utføre viktig forskning.
