Test kwantowy o fundamentalnym znaczeniu zakończył się sukcesem. Czy to przełom w dziedzinie komputerów kwantowych?

To pierwszy raz, gdy nadprzewodzący obwód przeszedł tzw. test Bella, który jest najważniejszym testem w fizyce potwierdzającym kwantowe cechy badanego systemu. Obwody nadprzewodzące z kolei, znajdują zastosowanie w komputerach kwantowych.

Zacznijmy od tego, czym są układy kwantowe. W skrócie to takie układy fizyczne, które mogą istnieć w rzeczywistości lub być jedynie przedmiotem teoretycznych rozważań, a ich naczelną cechą jest to, że ich cech nie można określić bez odwołania się do zasad mechaniki kwantowej. Splątanie kwantowe natomiast, to rodzaj powiązania (określanego jako stan kwantowy) przynajmniej dwóch takich układów. Cechą szczególną stanu kwantowego jest to, że właściwości całego badanego systemu można określić dokładniej niż stan części, z jakich się on składa. To tak, jakbyśmy mogli dokładnie opisać samochód jako całość, ale bez możliwości szczegółowego przedstawienia jego wewnętrznej budowy. Co ciekawe, Albert Einstein określił splątanie kwantowe jako "upiorne działanie na odległość".

Kiedy dochodzi do splątania dwóch cząstek, jakikolwiek pomiar właściwości jednej z nich wpływa na dające się zmierzyć właściwości drugiej. Oznacza to, że efekty owego splątania muszą podróżować szybciej niż światło. Test badający ten osobliwy efekt kwantowy nazywany jest twierdzeniem Bella, które określa granicę tego, jak często cząstki mogą znaleźć się w tym samym stanie przez przypadek bez wystąpienia faktycznego splątania. Jeśli dojdzie do naruszenia owego twierdzenia, oznacza to, że para cząstek jest istotnie splątana.

Testy Bella były do tej pory wykonywane w wielu układach, nigdy jednak w obwodach nadprzewodzących. Aby test mógł zostać przeprowadzony, dwa splątane układy muszą znajdować się na tyle daleko od siebie, żeby sygnał nie mógłby przebyć drogi między nimi z prędkością światła w czasie, jaki potrzebny jest do przeprowadzenia pomiarów obydwu układów. Taka procedura w przypadku układu nadprzewodzącego jest dodatkowo skomplikowana poprzez wymóg utrzymania go w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu.

Po raz pierwszy test Bella na takim obwodzie przeprowadził Simon Storz ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu. Test polegał na połączeniu dwóch splątanych części obwodu, zwanych bitami kwantowymi lub kubitami. Posłużyły do tego mikrofale wysyłane przez schłodzoną, 30-metrową aluminiową rurkę, podczas gdy każdy kubit utrzymywał się w swojej indywidualnej lodówce. Następnie użyto generatora liczb losowych, aby zdecydować, jaki rodzaj pomiaru wykonać na kubitach, aby zapewnić całkowity obiektywizm badania, bez jakiegokolwiek wpływu człowieka.

Tempo pomiarów było imponujące, bowiem naukowcy wykonywali je przy użyciu odpowiedniej aparatury 12 500 razy na sekundę, co przełożyło się na ponad 4 miliony pomiarów ogółem. Taka szybkość była konieczna do tego, by mieć pewność, że każda para pomiarów nastąpiła z prędkością większą niż ta, z jaką światło mogło przebyć drogę w dół aluminiowej rurki między dwoma kubitami. Po analizie danych naukowcy stwierdzili, że niemal na pewno doszło do naruszenia twierdzenia Bella. W związku z tym kubity były w stanie splątania. Co z tego wszystkiego wynika? Sukces połączenia kubitów na przestrzeni 30 metrów jest szczególnie obiecujący dla rozwoju obliczeń kwantowych i szyfrowania. Jak mówi sam Storz:

To obiecująca wiadomość, ponieważ komputery kwantowe mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach od rozwoju AI, przez stworzenie nowej generacji baterii, optymalizacji procesów logistycznych, stworzenie nadprzewodnika o temperaturze pokojowej czy doskonalsze metody na usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery i walkę z globalnymi zmianami klimatu.