Учені придумали, як знайти квантового "кота" і не злякати його

04 червня 2026 р. 19:17

04 червня 2026 р. 19:17

Дослідники з Університету Нового Південного Уельсу запропонували пояснення за допомогою кота і коробок. Уявіть темну кімнату, де стоять вісім однакових коробок. В одній із них сидить кіт. Потрібно зрозуміти, де він сховався, але якщо перевіряти занадто наполегливо, кіт злякається і перестрибне в інше місце.

У реальному експерименті кота, звісно, не було. Його роль відігравав крихкий квантовий стан ядра атома сурми в кремнієвому чипі. Новий метод дозволив точніше визначити цей стан і при цьому менше його порушити. Робота опублікована в PRX Quantum.

Деталі

Звичайний спосіб пошуку кота виглядав би так: поливати водою кожну коробку по черзі і слухати, звідки пролунає незадоволене "мяв". Але кімната галаслива. Можна помилитися: почути "мяу" там, де кота немає, або не помітити справжній сигнал.

Щоб підвищити впевненість, можна повторювати перевірку знову і знову. Але це небезпечно: що частіше ви турбуєте коробки, то вищий шанс, що кіт злякається і змінить місце.

З квантовою системою схожа проблема. Вченим потрібно вимірювати її стан, щоб зрозуміти, чи не виникла помилка. Але саме вимірювання може вплинути на цей стан. Іншими словами, перевірка може стати причиною нової помилки.

Новий метод працює хитріше. Після першого сигналу вчені не продовжують знову і знову "чіпати" ймовірну коробку з котом. Замість цього вони починають перевіряти інші коробки. Якщо там тихо, значить, перша здогадка, найімовірніше, була правильною.

Сенс простий: іноді інформацію можна отримати не тільки з сигналу, а й з його відсутності. Якщо у всіх інших коробках тиша, це посилює впевненість, що кіт сидить саме там, де його почули вперше.

У фізичному експерименті "коробками" були вісім можливих квантових станів ядра атома сурми. Така система називається кудитом: на відміну від звичайного кубіта, у неї не два стани, а більше. Дослідники працювали з восьмимірним ядерним кудитом у кремнії.

Для перевірки стану використовували електрон. Його можна було додавати до атома і прибирати, але ця операція могла потривожити ядро і змусити його перейти в інший стан. Новий адаптивний протокол зменшував такі зайві втручання: після першого позитивного результату система переключалася на перевірку решти станів.

Результат виявився помітним. Точність зчитування зросла з 98,93% до 99,61%, а загальний час вимірювання скоротився приблизно втричі. Для звичайного читача різниця здається невеликою, але для квантових комп'ютерів це важливо: такі перевірки потрібно виконувати багато разів, і навіть частки відсотка можуть накопичуватися в серйозну проблему.

Чому це важливо

Квантові комп'ютери обіцяють розв'язувати завдання, які надто складні для звичайних машин: моделювати молекули, шукати нові матеріали, допомагати в оптимізації та складних обчисленнях. Але в них є головний ворог - помилки.

Квантова інформація дуже чутлива. Її можуть порушити шум, тепло, зовнішні впливи і навіть сама процедура вимірювання. Тому для великих квантових комп'ютерів потрібна корекція помилок: система має постійно перевіряти себе і виправляти збої.

Але тут виникає парадокс. Щоб виправити помилку, її потрібно виявити. А щоб виявити, потрібно виміряти систему. А вимірювання може саме все зіпсувати.

Новий підхід допомагає зробити таку перевірку більш м'якою. Він не розв'язує одразу всі проблеми квантових комп'ютерів, але показує, як можна отримувати більше корисної інформації і менше турбувати систему.

Бекграунд

Образ кота відсилає до знаменитого уявного експерименту Ервіна Шредінгера. У ньому кіт у закритій коробці пов'язаний із квантовою системою і до спостереження опиняється ніби в дивному змішаному стані. У популярній культурі це стало символом квантової крихкості та дивацтва.

У новому дослідженні кіт - лише метафора. Вона допомагає зрозуміти головне завдання: як перевірити систему, не зруйнувавши те, що ви намагаєтеся дізнатися.

Вчені називають такі перевірки квантовими недемоліційними вимірюваннями. Простіше кажучи, це вимірювання, які мають повідомити стан системи, але не зламати його. У реальності вони не завжди ідеальні, тому дослідники шукають способи зробити їх більш акуратними.

Автори підкреслюють, що їхній підхід може бути корисним не тільки для однієї конкретної системи з атомом сурми. Схожі проблеми виникають у різних архітектурах квантових комп'ютерів, тому адаптивна стратегія вимірювання може стати в пригоді й іншим лабораторіям.

Джерело

Дослідження : Arjen Vaartjes et al., "Maximizing the Nondemolition Nature of a Quantum Measurement Via an Adaptive Readout Protocol", PRX Quantum, 2026.

Наука