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制限速度は量子世界にも適用されます

制限速度は量子世界にも適用されます

独自の特別なルールを持つ最小の粒子の世界でさえ、すべてが無限に速く進むことはできません。ボン大学の物理学者は、複雑な量子操作の制限速度を示しました。

マサチューセッツ工科大学、ハンブルク大学、ケルン大学、パドヴァ大学、およびユーリッヒ研究センターの科学者もこの研究に参加しました。得られた結果は、特に量子コンピューターの実装にとって重要です。それらはジャーナルPhysicalReview Xに掲載され、ジャーナルPhysics of the American PhysicalSocietyで取り上げられています。

真夜中のほんの数分前に大晦日にシャンパングラスのトレイ全体を提供しなければならないウェイターを見ているとしましょう。彼はゲストからゲストへと最高速度で急いで行きます。長年にわたって研ぎ澄まされた彼の技術のおかげで、それにもかかわらず、彼は貴重な液体を一滴もこぼさないように管理しています。

ちょっとしたトリックが彼を助けます。ウェイターがステップをスピードアップしている間、シャンパンがグラスからこぼれないようにトレイを少し傾けます。テーブルの途中で、彼はそれを反対方向に傾け、速度を落とします。彼が完全に停止したときだけ、彼は彼を再び直立させます。

原子はシャンパンのようなものです。それらは、ビリヤードボールのように振る舞うのではなく、液体のように振る舞う物質の波として説明することができます。したがって、原子をある場所から別の場所にできるだけ早く移動したい人は、大晦日のウェイターと同じくらい熟練している必要があります。

そして、それでも、この輸送が超えることのできない速度制限があります」とボン大学の応用物理学研究所で研究を主導したアンドレア・アルベルティ博士は説明します。

彼らの研究では、科学者はまさにこの限界がどこにあるのかを実験的に研究しました。彼らはシャンパンの代わりにセシウム原子を使用し、2つのレーザービームを完全に重ね合わせましたが、トレイのように互いに向けました。物理学者による干渉と呼ばれるこの重ね合わせは、光の定在波を作成します。最初は動かない一連の山と谷です。これらのトラフの1つに原子をロードし、定在波を開始しました。これにより、トラフ自体の位置がずれました、とAndreaAlberti氏は言います。 -私たちの目標は、原子を、いわば空洞の外に飛散させることなく、可能な限り短い時間で適切な場所に届けることでした。

小宇宙に速度制限があるという事実は、60年以上前に2人のソビエト物理学者-レオニード・マンデルスタムとイゴール・タムによってすでに理論的に証明されました。彼らは、量子プロセスの最大速度は、エネルギーの不確実性、つまり、操作された粒子がその可能なエネルギー状態との関係でどれだけ「自由」であるかに依存することを示しました。エネルギーの自由度が高いほど、高速になります。

たとえば、原子移動の場合、セシウム原子が入る空洞が深くなるほど、量子状態のエネルギーがそこに散乱し、最終的には原子をより速く移動できます。ウェイターの例でも同様のことがわかります。グラスを半分だけ満たすと、スピードを上げたり下げたりしたときにシャンパンがこぼれるリスクが少なくなります。ただし、粒子のエネルギー自由度を任意に増やすことはできません。うつ病を無限に深くすることはできません-それは私たちにあまりにも多くのエネルギーを要します-アルベルティは強調します。

マンデリシュムとタムの制限速度は基本的な制限です。ただし、これは特定の状況、つまり2つの量子状態を持つシステムでのみ実現できます。

たとえば、私たちの場合、これは出発地と目的地が互いに非常に近いときに起こります、と物理学者は説明します。 -次に、両方の場所の原子の物質の波が互いに重なり合い、原子は一度に目的地に直接配信できます。つまり、中間停止なしで、スターからの宇宙船エンタープライズでのテレポートのようになります。トレッキング。

ただし、ボンの実験のように、距離が数十波長の物質に増加すると、状況は異なります。そのような距離では、直接テレポートは不可能です。代わりに、パーティクルは最終目的地に到達するためにいくつかの中間状態を通過する必要があります。2レベルシステムはマルチレベルシステムになります。

この研究は、2人のソビエト物理学者によって予測されたものよりも低いレート制限がそのようなプロセスに適用可能であることを示しています。それはエネルギーの不確実性だけでなく中間状態の数によっても決定されます。したがって、この作業により、複雑な量子プロセスとその制限についての理論的理解が向上します。

物理学者の発見は、特に量子コンピューティングにとって重要です。量子コンピューターで可能な計算は、主に層状システムの操作に基づいています。しかし、量子状態は非常に壊れやすいものです。それらは、物理学者がコヒーレンス時間と呼ぶ短い期間だけ持続します。

したがって、この時点でできるだけ多くの計算操作をパックすることが重要です。私たちの調査によると、コヒーレンス時間中に実行できる操作の最大数は、AndreaAlberti氏が説明しています。これにより、最適に使用できます。