Ein universelles Protokoll, das die Evolution eines Qubits mit hoher Erfolgswahrscheinlichkeit umkehrt

Forscher des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Wien haben kürzlich einen universellen Mechanismus entwickelt, um die Evolution eines Qubits mit hoher Erfolgswahrscheinlichkeit umzukehren. Dieses Protokoll, beschrieben in Briefe zur körperlichen Überprüfungkann jedes Ziel-Qubit wieder in den Zustand versetzen, in dem es sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit befand.

Die Einführung dieses Protokolls baut auf eine frühere Arbeit veröffentlicht im Jahr 2020, wo dasselbe Team eine Reihe von Zeitübersetzungsprotokollen vorstellte, die in unkontrollierten Umgebungen angewendet werden könnten. Während einige dieser Protokolle vielversprechend waren, erwies sich ihre Erfolgswahrscheinlichkeit in den meisten getesteten Szenarien als zu gering. In ihrer neuen Studie wollten die Forscher daher ein alternatives Protokoll mit einer höheren Erfolgswahrscheinlichkeit erstellen.

„Unser neu entwickeltes Protokoll kehrt die einheitliche Evolution eines Qubits um“, sagte David Trillo, einer der Forscher, der die Studie zusammen mit Benjamin Dive und Miguel Navascués durchführte, gegenüber Phys.org. „Ein Qubit (oder Quantenbit) ist ein zweistufiges Quantensystem, das als Quantenäquivalent von Bits dient, die in Quantencomputern verwendet werden. Jedes Quantensystem hat eine natürliche Entwicklung in der Zeit, die kontrolliert oder zumindest berücksichtigt werden muss, wenn es physikalisch entworfen wird Prozesse um sie herum (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 sich in der Zeit rückwärts entwickelt hätte.“

Das von Trillo und seinen Kollegen erstellte Protokoll ist universell, was bedeutet, dass es auf jedes Qubit angewendet werden kann, unabhängig von seiner natürlichen zeitlichen Entwicklung oder dem Zustand, in dem es sich befindet, wenn das Protokoll verwendet wird. Universelle Protokolle sind von Natur aus probabilistisch, was bedeutet, dass sie nicht immer erfolgreich sein können, sondern eine bestimmte Erfolgswahrscheinlichkeit haben.

In ersten Auswertungen stellten die Forscher fest, dass ihr universeller Quantenrückspulmechanismus eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit hat, nämlich von 1. Im Wesentlichen funktioniert das Protokoll, indem es ein Ziel-Qubit auf eine Überlagerung von Flugbahnen setzt und dann eine Reihe von Quantenoperationen darauf durchführt .

„Unser Protokoll funktioniert für unkontrollierte Systeme, also Qubits, auf die wir nicht wissen, wie wir bestimmte Transformationen anwenden sollen“, erklärte Trillo. „Seine coole neue Funktion ist, dass wir, wann immer es fehlschlägt, den Fehler korrigieren und das System in den gewünschten Zustand bringen können. Indem wir diese Korrekturen adaptiv durchführen, können wir die Erfolgswahrscheinlichkeit so hoch machen, wie wir wollen, auf Kosten der Erhöhung die Laufzeit des Protokolls.“

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

„Man fragt sich, welche anderen Phänomene aus der kontrollierten Umgebung wir in eine unkontrollierte übertragen können“, fügte Trillo hinzu. „Idealerweise würden wir dieses Protokoll gerne auf höherdimensionale Systeme verallgemeinern. Dies scheint jedoch eine ziemliche Herausforderung zu sein, da dafür neue Ideen benötigt werden. Wir untersuchen auch, insbesondere die Erfolgswahrscheinlichkeit der anderen Protokolle in der ursprünglichen Arbeit zu verbessern SWAP-Protokolle.“

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