Starile cuantice de pisica si calculul cuantic

Starile cuantice reprezinta in general conditiile posibile ale unui sistem cuantic in termenii unei entitati matematice.

De exemplu, rotatia unui electron poate fi in sus sau in jos, astfel incat exista doua stari cuantice posibile si aceasta poate fi reprezentata in continuare ca o suprapunere folosind notatia Bra-Ket sau Dirac.

In principiu, starile cuantice sunt clasificate in doua tipuri: stari pure si stari mixte. O stare pura este acea stare naturala a unui sistem cuantic si poarta cu ea informatiile exacte ale intregului sistem.

Pe de alta parte, o stare mixta are informatii limitate despre un anumit sistem cuantic si este de obicei un ansamblu de probabilitati.

Vorbind despre reprezentarea lor, starile pure sunt notate printr-o raza intr-un spatiu Hilbert peste numerele complexe, in timp ce starile mixte sunt reprezentate prin matrici de densitate.

Starile cuantice speciale

Inspirati de infamul experiment al pisicii lui Schrodinger, fizicienii au determinat niste stari cuantice speciale pe care le-au numit stari cuantice de pisica.

O caracteristica unica a acestora este ca pot fi scrise ca suprapuneri a doua stari cu faze opuse. Cu alte cuvinte, sunt stari care pot fi reprezentate ca o combinatie liniara a doua situatii complet opuse, de exemplu – mort si viu in acelasi timp, ca in scenariul pisicii lui Schrodinger.

Este bine cunoscut facptul ca, calculatoarele clasice se bazeaza in mod fundamental pe biti care fac schimb de informatii folosind cifrele binare 0 sau 1. Insa, calculatoarele cuantice sunt construite din qubiti care se afla, tehnic vorbind, intr-o stare cuantica suprapusa.

Desi computerele cuantice sunt mai importante decat cele standard in mai multe privinte, ele prezinta un risc mai mare de a genera erori, deoarece exista surse suplimentare de eroare intr-un computer cuantic, care apar in principal din utilizarea qubitilor.

In imaginea de mai jos este reprezentata functia Wigner pentru o stare de pisica Schrödinger. Formele clopotelor reprezinta starile cuantice posibile pentru pisica: „vie” si „moarta”, iar oscilatiile dintre ele indica coerenta cuantica dintre aceste stari (afirmatia clasica „atat vie, cat si moarta”).

O functie Wigner similara, fara acesti termeni de interferenta, ar reprezenta o stare cu o probabilitate clasica de aruncare a monedelor, adica fie in viata, fie moarta, dar nu ambele simultan.

Prezenta termenilor de interferenta indica faptul ca aceasta functie Wigner reprezinta o stare care se afla de fapt in ambele stari („vie si moarta”) in acelasi timp (o suprapunere cuantica).

Toleranta la erori in calculul cuantic

O lucrare recenta a cercetatorilor de la Centrul RIKEN pentru calcul cuantic arata ca starile cuantice de pisica ar putea ajuta la atingerea tolerantei la erori in calculul cuantic.

Este de asteptat ca atunci cand un computer cuantic este construit din qubiti care functioneaza in starile cuantice de pisica, se pot realiza porti cuantice tolerante la erori pentru conectarea qubitilor intr-o retea care este in esenta non-locala.

Toleranta la erori poate fi definita ca abilitatea unui sistem de a-si continua functionarea intr-o circumstanta in care o eroare duce la o defectiune la una sau la mai multe dintre componentele sale.

Aplicatiile practice ale acestei proprietati sunt multiple si au condus la aparitia a numeroase sub-domenii de cercetare in fizica cuantica, cum ar fi corectarea erorilor cuantice, algoritmii cuantici si suprematia cuantica, printre altele.

Aplicatiile calculului cuantic tolerant la erori sunt destul de diverse, deoarece ar permite efectuarea de calcule care anterior nu erau fezabile prin tehnici standard.

De asemenea, ar permite cautarea bazelor de date intr-un mod care este mai eficient decat in cazul computerelor standard si acest lucru ar fi posibil prin executarea algoritmilor de cautare cuantica.

Ye-Hong Chen, autorul studiului, explica: „Sa presupunem ca am cauta o cheie intre 100 de chei care deschide o caseta. In medie, ar trebui sa incercam 50 de chei folosind un algoritm de cautare conventional pentru a identifica singura cheie care deschide acea caseta. Dar cu algoritmul de cautare cuantica media este de doar 10 incercari.”

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: phys.org, researchgate.net, resonancescience.org.

Credit foto: Physical Review A.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.