Физики проследили, как окружение подавляет возврат квантовой интерференции

Физики Фучжоуского университета в Китае проследили, как размер окружения влияет на исчезновение и возвращение квантовой интерференции. В эксперименте искусственную среду постепенно увеличивали с одного до восьми кубитов. Чем больше становилось окружение, тем слабее проявлялось восстановление интерференции. Работа опубликована в Physical Review Letters (DOI: 10.1103/t2yx-9bqh).

Результат помогает исследовать переход от обратимого обмена квантовой информацией к поведению, которое в пределах опыта выглядит необратимым. Он не доказывает, что потерянная интерференция никогда не сможет вернуться: вывод ограничен временем наблюдения и устройством установки.

Как наблюдали квантовое «кошачье состояние»

Квантовая система может находиться в суперпозиции различимых состояний. В этом опыте микроволновое поле подготовили в суперпозиции пустого состояния и состояния, содержащего микроволновое излучение. Поле удерживали в сверхпроводящем резонаторе — элементе, способном сохранять электромагнитные колебания.

Такую суперпозицию называют «кошачьим состоянием» по аналогии с мысленным экспериментом Шрёдингера. Животных в исследовании не использовали. Важен здесь эффект интерференции: компоненты состояния могут усиливать или ослаблять вклад друг друга в вероятности результатов измерений.

Взаимодействуя со средой, поле передаёт ей информацию о своих состояниях. Между системой и окружением возникают квантовые корреляции, а интерференция в самой системе ослабевает. Этот процесс называют декогеренцией. Для него не требуется человек, который прочитает информацию: достаточно взаимодействия с окружением.

Что изменилось при увеличении среды

Сначала роль окружения играл один управляемый кубит. Авторы восстанавливали карты Вигнера — представления квантового состояния поля. Чередующиеся положительные и отрицательные полосы на них служили признаком интерференции. По мере взаимодействия полосы исчезали, а примерно через 38 наносекунд возвращались.

В такой небольшой системе различительная информация могла уходить в окружение и затем переставать отличать компоненты суперпозиции. Поэтому для возврата интерференции не требовалась отдельная операция стирания записи. Это наблюдение нельзя автоматически переносить на любую квантовую установку: характер обмена зависит от её устройства.

При расширении среды картина менялась:

• число кубитов окружения последовательно увеличивали от одного до восьми;
• колебания показателя, характеризующего различимость компонентов суперпозиции по состоянию среды, постепенно ослабевали;
• при восьми кубитах показатель приближался к единице примерно за 15 наносекунд и оставался близким к ней в измерениях до 80 наносекунд;
• отдельные карты Вигнера не показывали восстановления интерференции на исследованном интервале от 0 до 30 наносекунд.

Числа описывают разные измерения, поэтому их нельзя смешивать в единый срок «гибели» суперпозиции. Установка показала подавление возврата интерференции в конкретных условиях, а не универсальный порог, после которого восстановление навсегда невозможно.

Зачем изучать возвращение интерференции

Квантовые технологии зависят от того, насколько долго удаётся сохранять нужные свойства состояний. Чтобы управлять декогеренцией, важно понимать не только скорость исчезновения интерференции, но и условия её возможного возвращения.

Опыт позволяет изменять размер среды по одному кубиту и сопоставлять наблюдаемое поведение с теоретическими моделями. Это даёт более подробную картину того, как информация распределяется между системой и окружением.

Читайте также: Физики предложили выявлять квантовые флуктуации света с помощью графена.

Исследование относится к фундаментальной квантовой физике. Само по себе оно не создаёт готового способа коррекции ошибок и не гарантирует защиту квантового компьютера от потерь. Его значение — в экспериментальной проверке связи между размером среды, сохранением информации и наблюдаемым возвратом интерференции.