В журнале Nature Communications ученые из TU Wien (Вена) и Свободный университет Берлина теперь представляют квантовую методику томографии, которая позволяет измерить и описать государство большой квантовой системы очень точно со всего несколькими измерениями. Основная идея позади этой новой техники проста: даже при том, что система может быть в одном из невообразимо многих квантовых состояний, это – очень хорошее приближение, чтобы проигнорировать большинство из них.
Много частиц, много государствРезультат броска монеты – любой орлянка. Поведение квантовых частиц, однако, намного более сложно. Когда квантовая система может быть в двух различных государствах, любая смесь этих государств – также физически позволенное государство.
Поэтому это намного более сложно, чтобы описать состояние квантовой частицы, чем это должно описать государство монеты, лежащей на столе.«Чем больше количество частиц, тем более сложный описание систем становится», говорит профессор Йорг Шмидмайер от Венского Центра Квантовой Науки и техники (VCQ) в TU Wien. «Вместимость, требуемая описать квантовое состояние, растет по экспоненте с количеством частиц. Для системы нескольких сотен квантовых частиц есть более возможные квантовые состояния, чем во вселенной есть атомы. Абсолютно невозможно записать такое государство или сделать вычисления с ним».
Но точно знание квантового состояния не всегда необходимо. Новый теоретический метод, разработанный в Берлине исследовательской группой профессора Йенса Айзерта, использует специальный вид описания для квантовых состояний – так называемые «непрерывные матричные государства продукта» (cMPS).
Этот специальный класс государств только представляет очень небольшую часть всех возможных государств, но с физической точки зрения они особенно важны. «Этот класс содержит государства с реалистической квантовой запутанностью», говорит Йенс Айзерт. «Экзотические, сложные образцы запутанности между многими квантовыми частицами могут в принципе быть возможными, но на практике они не обнаруживаются в физических системах. Именно поэтому мы можем ограничить нас cMPS в наших вычислениях».
Для любого возможного квантового состояния есть cMPS произвольно близко к истинному квантовому состоянию. Неважно, то, какое государство действительно занято системой – ошибка, которая происходит, только принимая во внимание cMPS, может быть сделано произвольно маленьким. «Это похоже на части в математике», говорит Эйсерт. «Рациональные числа, которые могут быть написаны как части, только представляют крошечную часть всех действительных чисел. Но для любого действительного числа, может быть найдено фракционное число, который произвольно приближается».
Пи числа не фракционное число – но приближение для пи, используемого карманным калькулятором. Во всех практических целях это достаточно хорошо.
Измерения, приводящие к квантовой картинеОграничивая себя cMPS, становится возможно читать государство вслух большой квантовой системы в эксперименте. «Мы не можем получить полное знание о системе от конечного количества измерений, но это также не, в чем мы нуждаемся», говорит Тим Лэнджен, который привел эксперименты в исследовательской группе Шмидмейера. «С нашим новым методом мы можем восстановить квантовое состояние только от нескольких измерений.
Точность так высока, что мы можем использовать это приблизительное государство, чтобы предсказать результат дальнейших измерений». Эту технику называют «квантовой томографией» – во многом как компьютерная томография в больнице, где несколько картин используются, чтобы вычислить 3D модель, квантовая томография использует несколько измерений, чтобы вычислить картину квантового состояния.
Новый метод не только открывает новые возможности для квантовой физики много-тела. Это могло также путь путь к новым квантовым симуляторам – квантовые системы, которые подготовлены таким способом, которым они могут использоваться, чтобы моделировать другие квантовые системы, которыми не могут управлять стандартные методы. «Когда две различных квантовых системы могут быть описаны с теми же самыми основными формулами, тогда мы можем узнать много об одной системе, изучив другой», говорит Шмидмейер. «Мы можем управлять тысячами атомов на нашем квантовом чипе, эта система таким образом очень хорошо подходит для будущих квантовых моделирований».