По мере того, как размеры современных технологий уменьшаются до наномасштаба, странные квантовые эффекты, такие как квантовое туннелирование, суперпозиция и запутанность, становятся заметными. Это открывает дверь в новую эру квантовых технологий, где можно использовать квантовые эффекты. Многие повседневные технологии регулярно используют управление с обратной связью; важным примером является кардиостимулятор, который должен отслеживать сердцебиение пользователя и подавать электрические сигналы для его управления только при необходимости. Но у физиков пока нет эквивалентного понимания управления с обратной связью на квантовом уровне. Теперь физики разработали «основное уравнение», которое поможет инженерам понять обратную связь на квантовом уровне. Их результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
«Очень важно исследовать, как можно использовать управление с обратной связью в квантовых технологиях, чтобы разработать эффективные и быстрые методы управления квантовыми системами , чтобы ими можно было управлять в режиме реального времени и с высокой точностью», — говорит соавтор Бьорн Аннбю. Андерссон, квантовый физик из Лундского университета в Швеции.
Примером критического процесса управления с обратной связью в квантовых вычислениях является квантовая коррекция ошибок . Квантовый компьютер кодирует информацию о физических кубитах, которые могут быть, например, фотонами света или атомами. Но квантовые свойства кубитов хрупки, поэтому вполне вероятно, что закодированная информация будет потеряна, если кубиты будут нарушены вибрациями или флуктуирующими электромагнитными полями. Это означает, что физики должны уметь обнаруживать и исправлять такие ошибки, например, с помощью управления с обратной связью. Это исправление ошибок может быть реализовано путем измерения состояния кубитов и, если обнаружено отклонение от ожидаемого, применения обратной связи для его исправления.
Но контроль с обратной связью на квантовом уровне представляет собой уникальную проблему именно из-за хрупкости, которую физики пытаются смягчить. Этот тонкий характер означает, что даже сам процесс обратной связи может разрушить систему. «Необходимо лишь слабо взаимодействовать с измеряемой системой, сохраняя свойства, которые мы хотим использовать», — говорит Аннби-Андерссон.
Таким образом, важно развить полное теоретическое понимание управления квантовой обратной связью, чтобы установить его фундаментальные ограничения. Но большинство существующих теоретических моделей квантового управления с обратной связью требуют компьютерного моделирования, которое обычно дает только количественные результаты для конкретных систем. «Трудно делать общие качественные выводы, — говорит Аннби-Андерссон. «Несколько моделей, которые могут обеспечить качественное понимание, применимы только к узкому классу систем, управляемых с обратной связью — этот тип обратной связи обычно называют линейной обратной связью».
«Ручка и бумага»
Эннби-Андерссон и его коллеги теперь разработали основное уравнение, называемое «квантовым уравнением Фоккера-Планка», которое позволяет физикам отслеживать эволюцию любой квантовой системы с обратной связью во времени. «Уравнение может описывать сценарии, выходящие за рамки линейной обратной связи», — говорит Аннби-Андерссон. «В частности, уравнение можно решить с помощью ручки и бумаги, а не полагаться на компьютерное моделирование ».
Команда проверила свое уравнение, применив его к простой модели обратной связи. Это подтвердило, что уравнение дает физически разумные результаты, а также продемонстрировало, как энергия может быть собрана в микроскопических системах с использованием управления с обратной связью. «Уравнение является многообещающей отправной точкой для будущих исследований того, как можно управлять энергией с помощью информации на микроскопическом уровне», — говорит Аннби-Андерссон.
В настоящее время команда исследует систему, которая использует обратную связь для управления энергией в «квантовых точках» — крошечных полупроводниковых кристаллах размером всего в миллиардные доли метра. «Важным будущим направлением является использование уравнения в качестве инструмента для изобретения новых протоколов обратной связи, которые можно использовать для квантовых технологий», — говорит Аннби-Андерссон.
