В журнале Nature Communications ученые из Венского технического университета (Вена) и Свободного университета Берлина теперь представляют метод квантовой томографии, который позволяет очень точно измерить и описать состояние большой квантовой системы всего за несколько измерений. Основная идея, лежащая в основе этой новой техники, проста: даже если система может находиться в одном из невообразимо многих квантовых состояний, игнорировать большинство из них — очень хорошее приближение.
Множество частиц, множество состоянийВ результате подбрасывания монеты выпадает орел или решка. Однако поведение квантовых частиц намного сложнее. Когда квантовая система может находиться в двух разных состояниях, любая смесь этих состояний также является физически разрешенным состоянием.
Поэтому описать состояние квантовой частицы гораздо сложнее, чем состояние монеты, лежащей на столе.«Чем больше количество частиц, тем сложнее становится описание систем», — говорит профессор Йорг Шмидмайер из Венского центра квантовой науки и технологий (VCQ) в TU Wien. «Запоминающая способность, необходимая для описания квантового состояния, растет экспоненциально с увеличением числа частиц. Для системы из нескольких сотен квантовых частиц существует больше возможных квантовых состояний, чем атомов во Вселенной.
Абсолютно невозможно записать такое состояние или делать с ним расчеты ".Но точно знать квантовое состояние не всегда необходимо. Новый теоретический метод, разработанный в Берлине исследовательской группой профессора Йенса Эйсерта, использует особый вид описания квантовых состояний — так называемые «состояния непрерывного матричного произведения» (cMPS).
Этот особый класс состояний представляет лишь исчезающе малую часть всех возможных состояний, но с физической точки зрения они особенно важны. «Этот класс содержит состояния с реалистичной квантовой запутанностью», — говорит Йенс Айсерт. «В принципе, возможны экзотические, сложные схемы зацепления между многими квантовыми частицами, но на практике они не проявляются в физических системах. Вот почему мы можем ограничиться cMPS в наших расчетах».Для любого возможного квантового состояния существует cMPS, произвольно близкий к истинному квантовому состоянию.
Независимо от того, какое состояние действительно занято системой — ошибка, возникающая только при учете cMPS, может быть сделана сколь угодно малой. «Это похоже на дроби в математике», — говорит Эйсер. «Рациональные числа, которые можно записать в виде дробей, представляют собой лишь крошечную часть всех действительных чисел. Но для любого действительного числа можно найти дробное число, которое может быть сколь угодно близким».
Число пи не является дробным числом, но это приближение к числу пи, используемое карманным калькулятором. Для всех практических целей этого достаточно.Измерения, дающие квантовую картинуОграничивая себя cMPS, становится возможным считывать состояние большой квантовой системы в эксперименте. «Мы не можем получить полное представление о системе из конечного числа измерений, но это тоже не то, что нам нужно», — говорит Тим ??Ланген, руководивший экспериментами в исследовательской группе Шмидмайера. «С помощью нашего нового метода мы можем восстановить квантовое состояние всего по нескольким измерениям.
Точность настолько высока, что мы можем использовать это приблизительное состояние для предсказания результата дальнейших измерений». Этот метод называется «квантовой томографией» — очень похож на компьютерную томографию в больнице, где несколько изображений используются для расчета трехмерной модели, а квантовая томография использует несколько измерений для расчета картины квантового состояния.Новый метод не только открывает новые возможности для квантовой физики многих тел.
Это также может открыть путь к новым квантовым симуляторам — квантовым системам, которые подготовлены таким образом, чтобы их можно было использовать для моделирования других квантовых систем, которыми нельзя управлять стандартными методами. «Когда две разные квантовые системы могут быть описаны с помощью одних и тех же основных формул, тогда мы можем многое узнать об одной системе, изучая другую», — говорит Шмидмайер. «Мы можем управлять тысячами атомов на нашем квантовом чипе, поэтому эта система очень хорошо подходит для будущих квантовых симуляций».