Ein universelles Protokoll, das die Entwicklung eines Qubits mit hoher Wahrscheinlichkeit erfolgreich umkehrt.

10. April 2023 feature

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Herausgeber haben beim Sicherstellen der Glaubwürdigkeit des Inhalts folgende Attribute hervorgehoben:

• Faktencheck
• Peer-Review-Publikation
• Vertrauenswürdige Quelle
• Korrektur gelesen

von Ingrid Fadelli, Phys.org

Forscher des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Wien haben kürzlich einen universellen Mechanismus zur Umkehrung der Entwicklung eines Qubits mit einer hohen Erfolgswahrscheinlichkeit entwickelt. Dieses Protokoll, das in Physical Review Letters beschrieben ist, kann jedes Ziel-Qubit auf den Zustand zurückbringen, in dem es sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit befand.

Die Einführung dieses Protokolls baut auf einem früheren Paper auf, das 2020 von derselben Forschergruppe veröffentlicht wurde. Dort wurde eine Reihe von Zeit-Übersetzungs-Protokollen vorgestellt, die in unkontrollierten Umgebungen angewendet werden können. Obwohl einige dieser Protokolle vielversprechend waren, war die Erfolgswahrscheinlichkeit in den meisten getesteten Szenarien zu gering. Die Forscher setzten sich in ihrer neuen Studie daher zum Ziel, ein alternatives Protokoll mit einer höheren Erfolgswahrscheinlichkeit zu entwickeln.

"Unser neu entwickeltes Protokoll invertiert die unitäre Entwicklung eines Qubits", sagt David Trillo, einer der Forscher, die die Studie zusammen mit Benjamin Dive und Miguel Navascués durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. "Ein Qubit (oder Quantenbit) ist ein zweistufiges Quantensystem, das als quantenmechanisches Äquivalent von Bits in Quantencomputern dient. Jedes Quantensystem hat eine natürliche zeitliche Entwicklung, die kontrolliert oder zumindest bei der Gestaltung physikalischer Prozesse berücksichtigt werden muss (z.B. beim Bau eines Quantencomputers). Unser Protokoll nimmt ein Qubit und gibt dasselbe System aus, aber in dem Zustand, in dem es sich befinden würde, wenn es rückwärts in der Zeit entwickelt worden wäre".

Das von Trillo und seinen Kollegen entwickelte Protokoll ist universell, d.h. es kann auf jedes Qubit angewendet werden, unabhängig von seiner natürlichen zeitlichen Entwicklung oder dem Zustand, in dem sich das Qubit beim Einsatz des Protokolls befindet. Universelle Protokolle sind prinzipbedingt probabilistisch, d.h. sie können nicht immer erfolgreich sein, sondern haben eine bestimmte Erfolgswahrscheinlichkeit.

Bei ersten Tests stellten die Forscher fest, dass ihr universeller Quanten-Rewind-Mechanismus eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit aufweist, nämlich 1. Das Protokoll funktioniert im Wesentlichen, indem ein Ziel-Qubit auf eine Überlagerung von Flugwegen gesetzt wird und dann eine Reihe von Quantenoperationen an ihm durchgeführt wird.

"Unser Protokoll funktioniert für unkontrollierte Systeme, d.h. für Qubits, an denen wir nicht wissen, wie bestimmte Transformationen angewendet werden sollen", erklärt Trillo. "Seine coole neue Funktion ist, dass wir es immer dann korrigieren können, wenn es scheitert, und das System in den gewünschten Zustand bringen können. Durch adaptives Durchführen dieser Korrekturen können wir die Erfolgswahrscheinlichkeit so hoch machen, wie wir wollen, auf Kosten einer längeren Betriebszeit des Protokolls".

Das neue universelle Protokoll von Trillo und seinen Kollegen ermöglicht es Forschern, jedes Qubit in einer unkontrollierten Umgebung mit einer hohen Erfolgswahrscheinlichkeit zurückzuspulen. Während es bereits Protokolle gab, die dies in kontrollierten Umgebungen erreichen konnten, könnte die Fähigkeit, einzelne Qubits in unkontrollierten Umgebungen auf einen früheren Zustand zurückzuführen, neue wertvolle Möglichkeiten für die Forschung eröffnen.

"Man fragt sich, welche anderen Phänomene aus der kontrollierten Umgebung auf eine unkontrollierte übertragen werden können", fügt Trillo hinzu. "Ideal wäre es, dieses Protokoll auf Systeme höherer Dimensionalität zu verallgemeinern. Das scheint jedoch ziemlich herausfordernd zu sein, da hierfür neue Ideen benötigt werden. Wir untersuchen auch Möglichkeiten, die Erfolgswahrscheinlichkeit der anderen Protokolle im Originalpaper zu verbessern, insbesondere Swap-Protokolle".

Journal information: Physical Review Letters

© 2023 Science X Network