Crearea superpoziției cuantice în tehnologiile cuantice: Divizorul de fascicul

Ne putem pune întrebarea: cum știm că superpoziția cuantică are loc cu adevărat? Care sunt dovezile care arată că o particulă cuantică există într-adevăr în două locații diferite în același timp, în timp ce se află într-o superpoziție cuantică? Natura științei înseamnă că experimentele actualizează constant rezultatele anterioare, așadar există și alte interpretări ale rezultatelor experimentale care pot explica datele fără a fi nevoie de superpoziție? În acest capitol vom explora dovezile experimentale care infirmă alte interpretări decât superpoziția cuantică. În plus, deși o monedă aruncată este un model simplu al unui qubit, nu este foarte utilă pentru construirea unui computer cuantic, deoarece nu prezintă toate proprietățile unei superpoziții cuantice adevărate. De exemplu, nu putem manipula amplitudinile superpoziției. În acest capitol, vom studia câteva exemple fizice reale de particule cuantice într-o superpoziție care conține două stări. Aceste exemple includ un foton într-un divizor de fascicul și interferometrul Mach-Zehnder.

Divizorul de fascicul

În optica clasică, un divizor de fascicul acționează ca o oglindă parțial reflectorizantă care împarte un fascicul de lumină în două. Într-un divizor de fascicul 50/50, 50% din intensitatea luminii este transmisă și 50% este reflectată, așa cum se arată în Fig. 3.1.

O modalitate de a vizualiza divizorul de fascicul este de a vă imagina o barieră cu găuri decupate aleatoriu, ca niște brânzeturi elvețiene, așa cum se arată în Fig. 3.2. Imaginați-vă că această barieră este plasată într-un iaz și o undă de apă se deplasează spre barieră. După ce unda lovește bariera, am observa o undă mai mică care trece prin barieră, iar o alta ar fi reflectată de barieră.

Fig. 3.1 Un divizor de fascicul reflectă 50% din lumina incidentă și transmite 50% din lumina incidentă.

Fig. 3.2 Un divizor de fascicul reflectă 50% din lumina incidentă și transmite 50% din lumina incidentă.

Fig. 3.3 Lumina de intensitate scăzută este un flux de fotoni singulari.

Întrebarea 1 Ce s-ar întâmpla dacă o particulă clasică, cum ar fi o minge de fotbal, este lovită aleatoriu la barieră? Presupunem că mingea poate trece prin găuri.

Experimentele demonstrează că lumina se comportă atât ca o undă (experimentul cu dublă fantă Young), cât și ca o particulă (efectul fotoelectric, efectul Compton). Clasic, lumina este considerată o undă constând din câmpuri electrice și magnetice care oscilează continuu. Cu toate acestea, lumina poate fi considerată și ca un flux de particule numite fotoni. Fotonii nu au masă, dar transportă energia luminii dintr-un punct în altul cu viteza luminii. Un fascicul laser este alcătuit din fotoni. Dacă reduceți intensitatea laserului, puteți chiar trimite câte un foton pe rând, așa cum se arată în Fig. 3.3. Deoarece configurarea unei singure surse de fotoni și a unui detector necesită echipament specializat, vom rula în schimb un simulator pentru a explora efectele cuantice ale fotonilor.

Întrebarea 2 Deschideți simulatorul de divizare a fasciculului[1], accesați ecranul Comenzi și trageți un singur foton. Configurarea înainte ca fotonul să lovească un divizor de fascicul este prezentată în Fig. 3.4. Ce detectoare sunt declanșate atunci când fotonul trece prin divizorul de fascicul 50/50?

(a) Întotdeauna detectorul 1

(b) Întotdeauna detectorul 2

(c) Detectorul 1 SAU detectorul 2

(d) Atât detectorul 1, cât și detectorul 2

(e) Niciunul

Fig. 3.4 Un singur foton este trimis la un divizor de fascicul, iar rezultatul este măsurat cu detectoare pentru a vedea dacă divizorul de fascicul transmite sau reflectă.

Întrebarea 3 Care detector(i) s-ar declanșa dacă o undă clasică este trimisă prin divizorul de fascicul?

(a) Întotdeauna detectorul 1

(b) Întotdeauna detectorul 2

(c) Detectorul 1 SAU detectorul 2

(d) Atât detectorul 1, cât și detectorul 2

(e) Niciunul

Întrebarea 4 Care detector(i) s-ar declanșa dacă o particulă clasică este trimisă prin divizorul de fascicul?

(a) Întotdeauna detectorul 1

(b) Întotdeauna detectorul 2

(c) Detectorul 1 SAU detectorul 2

(d) Atât detectorul 1, cât și detectorul 2

(e) Niciunul

Întrebarea 5 Ce face fotonul în momentul în care întâlnește divizorul de fascicul 50/50?

(a) Se împarte în jumătate. Jumătate din foton este transmis și jumătate este reflectat.

(b) Întregul foton trece prin el cu o probabilitate de 50% și se reflectă cu o probabilitate de 50%.

(c) Întregul foton este atât transmis, cât și reflectat, practic în două locuri simultan.

Dacă fotonul ar fi fost împărțit în jumătate, ambele detectoare din experimentul cu divizorul de fascicul ar fi declanșate simultan. Deoarece se declanșează doar un detector odată, fotonul nu s-ar fi putut separa. În acest caz, vedem că lumina se comportă mai mult ca o minge de fotbal decât ca unda de apă.

În acest moment, s-ar putea să vă gândiți că fotonul a fost fie transmis, fie reflectat la divizorul de fascicul și pur și simplu nu am avut această informație până când nu a lovit Detectorul 1 sau 2. Din păcate, aceasta ar fi interpretarea incorectă formată de creierul nostru animal clasic. Ar fi ca și cum am spune că moneda a fost cap de la bun început și tot ce a trebuit să facem a fost să ne uităm la ea pentru a-i determina starea. Similar cu modul în care o monedă care se învârte va ateriza pe cap 50% din timp și pe pajură 50% din timp, fotonul singular se află într-o suprapunere a ambelor stări până în punctul în care ajunge la detectoare. Această distincție ar putea părea o chestiune de semantică, dar este importantă deoarece descrie două moduri diferite în care universul funcționează la cele mai mici distanțe posibile. De asemenea, va fi importantă odată ce sistemul devine mai complicat. Configurația experimentală după ce fotonul lovește un divizor de fascicul este prezentată în Fig. 3.5.

Dacă considerăm calea transmisă să fie |0⟩ (detectorul 1), iar calea reflectată să fie |1⟩ (detectorul 2), atunci starea fotonului după divizorul de fascicul este

|foton⟩ = 1/√2 |0⟩ + 1/√2 |1⟩   (3.1)

La măsurare, va colapsa suprapunerea în |0⟩ sau |1⟩? Din păcate, nu este posibil să se prezică ce detector va fi activat la un moment dat, deoarece mecanica cuantică este inerent probabilistică.

Fenomenul de suprapunere permite computerelor cuantice să efectueze operațiuni simultan pe doi biți de informație cu un singur qubit. De fapt, este posibil să se creeze un computer cuantic de uz general (numit și universal) folosind fotoni ca și qubiți, divizoare de fascicul pentru a crea suprapunere și bucăți de sticlă care încetinesc fotonii de-a lungul unor căi selectate (schimbătoare de fază)[2].

Fig. 3.5 Divizorul de fascicul pune fotonul într-o stare de suprapunere.

Fig. 3.6 Schema interferometrului Mach-Zehnder de la https://www.st-andrews.ac.uk/physics/quvis/simulations_html5/sims/Mach-Zehnder-Interferometer/Mach_Zehnder_Interferometer.html

Note

[1] https://www.st-andrews.ac.uk/physics/quvis/simulations_html5/sims/photons-particles-waves/photons-particles-waves.html

[2] Knill, E.; Laflamme, R.; Milburn, G. J. (2001). “A scheme for efficient quantum computation with linear optics”. Nature. Nature Publishing Group. 409 (6816): 46–52.

Sursa: Ciaran Hughes, Joshua Isaacson, Anastasia Perry, Ranbel F. Sun, Jessica Turner (2021) Quantum Computing for the Quantum Curious, Springer Cham, https://doi.org/10.1007/978-3-030-61601-4, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu