W świecie klasycznym obiekty mają jasno określone właściwości – leżą w jednym miejscu, poruszają się określoną prędkością i ich zachowanie nie zależy od tego, czy na nie patrzymy. Mechanika kwantowa odwraca te intuicje: cząstka może być w dwóch miejscach naraz, nie ma z góry ustalonych cech, a sam pomiar zmienia jej stan.
Czytaj też: Od zera do kwantowego programisty w 10 minut. Polska firma demokratyzuje przyszłość technologii
Aby sprawdzić, czy dany układ zachowuje się klasycznie czy kwantowo, fizycy korzystają z matematycznego testu znanego jako nierówność Leggetta-Garga (LGI). Klasyczne układy zawsze ją spełniają; kwantowe – łamią, potwierdzając swój nieklasyczny charakter.
Ale nawet w mechanice kwantowej istnieją granice tego, jak silnie można naruszyć LGI. Jedną z nich jest czasowa granica Tsirelsona (TTB) – teoretyczna bariera, która wyznacza maksymalny “poziom dziwności”, jaki mogą osiągnąć układy kwantowe.
Poza granicę Tsirelsona
Nowe badanie opublikowane w Physical Review Letters pokazuje, że granicę Tsirelsona można realnie przekroczyć. Zespół Arijita Chatterjee z Indian Institute of Science Education and Research sprawdził koncepcję, według której układ kwantowy może podlegać dwóm różnym ewolucjom jednocześnie, jeśli jedna z nich jest sterowana kubitem znajdującym się w superpozycji. W praktyce oznacza to, że cząstka “podąża” dwiema ścieżkami rozwoju stanu naraz – co w klasycznej fizyce byłoby niemożliwe, a w standardowej mechanice kwantowej rzadko obserwowane.
Czytaj też: Metapowierzchnie 2D otwierają nową erę w komputerach kwantowych. Właśnie pobito kolejny rekord
Aby przetestować ten pomysł, badacze zbudowali precyzyjny eksperyment w aparaturze NMR, podobnej do tej wykorzystywanej w rezonansie magnetycznym. Kubitem roboczym był atom węgla w cząsteczce, a drugi, pomocniczy qubit pełnił rolę elementu sterującego: w zależności od jego stanu na układ nakładane były dwie różne rotacje magnetyczne. Gdy kubit sterujący znajdował się w superpozycji, obie rotacje działały równocześnie, tworząc kwantową superpozycję dwóch ścieżek ewolucji.
W publikacji pokazano szczegółowy schemat obwodu kwantowego użytego do pomiaru wielkości K_3, kluczowej dla testów nierówności Leggetta-Garga. To właśnie ten parametr pozwala sprawdzić, czy układ narusza granicę Tsirelsona i w jakim stopniu odchodzi od klasycznego zachowania.
Efekt był jednoznaczny. Układ kwantowy przekroczył granicę Tsirelsona w czasie, co w praktyce oznacza, że zachowywał się w sposób bardziej “nieklasyczny”, niż dopuszcza standardowy model naruszeń LGI. Co więcej, im silniej badacze mieszali obie ścieżki ewolucji, tym większe było naruszenie LGI. To pokazuje, że intensywność efektów kwantowych można kontrolować – a niektóre z nich mogą wykraczać poza to, co dotąd uznawano za absolutny limit.
Najbardziej zaskakującym wnioskiem jest to, że układ, który podlegał dwóm jednoczesnym ewolucjom sterowanym kubitem w superpozycji, okazał się bardziej odporny na zakłócenia środowiskowe. Szum i dekoherencja to największe przeszkody w rozwoju komputerów kwantowych, ponieważ bardzo szybko niszczą delikatne stany kubitów.
Skoro demonstracyjnie udało się przekroczyć granicę Tsirelsona, fizycy muszą na nowo zastanowić się, gdzie leżą rzeczywiste ograniczenia mechaniki kwantowej. Jednocześnie pojawia się też praktyczny wniosek: jeśli można wydłużać czas utrzymania delikatnych stanów poprzez “nakładanie” dwóch ewolucji kontrolowanych qubitem w superpozycji, może to stać się nowym narzędziem w pracy nad stabilnymi komputerami kwantowymi.
Naukowcy zapowiadają, że teraz będą badać, czy tę technikę da się skalować i stosować w bardziej złożonych platformach kwantowych, np. w nadprzewodnikach i fotonice.