Könnte es möglich sein, Teilchen im Massenmaßstab zu quantenverschränken?

Reduzieren Sie die Geschwindigkeit, mit der Sie die Verstrickung verlieren

(Das Papier, für alle, die es lesen möchten, ist Humphreys et al. 2018. )

Das Problem hier ist nicht das Verschränken von Partikeln an sich – das Problem besteht darin, sie verschränkt zu halten. Die Autoren weisen darauf hin, dass uns nicht nur die Geschwindigkeit interessiert, mit der wir Teilchen verschränken$r_{\text{ent}}$, sondern auch die Dekohärenzrate $r_{\text{dec}}$, die Rate, mit der Partikel dekohärieren, oft aufgrund von Wechselwirkungen mit ihrer unmittelbaren Umgebung. Dies bricht die Verschränkung und ist aus mehreren Gründen ein großes Problem im Quantencomputing. Jetzt müssen Sie haben$r_{\text{ent}}>r_{\text{dec}}$um einen positiven Nettogewinn an verschränkten Paaren zu haben, oder, wie sie es ausdrücken, eine Quantenverbindungseffizienz von$\eta\equiv r_{\text{ent}}/r_{\text{dec}}>1$. Wenn$\eta<1$, nimmt die Zahl der verschränkten Teilchen ab.

Die fragliche Studie ergibt Verschränkungsraten von$r_{\text{ent}}=39\text{ Hz}$(wobei sich unsere Einheiten auf Teilchen beziehen, die pro Sekunde verschränkt sind). Frühere Arbeiten ( Stockhill et al. 2017 ) ergaben Verstrickungsraten von bis zu$r_{\text{ent}}\sim1000\text{ Hz}$mit Objekten namens Quantenpunkte - aber auf Kosten von$r_{\text{dec}}\sim10^7\text{ Hz}$, für eine Effizienz von nur$\eta\sim10^{-4}$, ein Nettoverlust. Der große Sprung hier produzierte einen signifikant großen$\eta$durch Erzeugung niedriger Dekohärenzraten. Mit$r_{\text{dec}}=5\text{ Hz}$, Humphreyset al. einen Wirkungsgrad von erreicht$\eta=39/5\approx8$. Quantum-Link-Effizienz deutlich größer als$\eta=1$Sind möglich!

Kommen wir zurück zu den Quantenpunkten. Stockhillet al. konnten Qubits mit einer Rate von verschränken$r_{\text{ent}}=7300\text{ Hz}$- fast 200 Mal so viele pro Sekunde! Aber es gibt Grenzen, wie schnell Sie Partikel verschränken können, und diese Grenzen werden durch Ihren experimentellen Aufbau festgelegt. Das Quantenpunkt-Experiment zum Beispiel erforderte Laser, Detektoren, ein Magnetfeld und viele zusätzliche Geräte. Sie müssen also Ihren experimentellen Aufbau verbessern, um sich zu steigern$r_{\text{ent}}$. Die Autoren spekulierten, dass sie erreichen könnten$r_{\text{ent}}\approx130000\text{ Hz}$mit besonderen Upgrades.

Auch hier müssten Sie sich jedoch immer noch mit Dekohärenzraten befassen. Aber aufziehen$r_{\text{ent}}$um so viel – einen Faktor von 20 – würde die Quantenpunktmethode in Bezug auf die Effizienz potenziell praktikabler machen$\eta$. Sie müssen sich nur mit Dekohärenz auseinandersetzen.

Die Leute haben darauf hingewiesen, dass man im Vergleich zur Anzahl der Partikel, mit denen wir auf makroskopischer Ebene interagieren, nur eine kleine Anzahl von Partikeln innerhalb angemessener Zeitskalen verschränken kann. Das stimmt, aber es übersieht die Tatsache, dass Sie wahrscheinlich keine absurd große Anzahl von verschränkten Paaren benötigen. Beispielsweise können Quantencomputer mit einigen tausend Qubits ziemlich leistungsfähige Berechnungen durchführen – und sogar Dutzende von Qubits würden für einige Aufgaben eine hervorragende Leistung ermöglichen. Daher vermute ich, dass dies überhaupt kein Problem ist.

Wenn wir Qubits mit den Methoden von Humphreys et al. produzieren würden, wäre der Nettogewinn an verschränkten Teilchen

Vergessen Sie das Verschränken von Partikeln im Massenmaßstab. Es ist eine überwältigende Aufgabe. Warum?

Beginnen wir mit Ihrer Aussage

eine Methode, die bei Bedarf in einer einzigen Sekunde 40 Verstrickungen erzeugen kann.

Wie viele Atome gibt es in einer beträchtlichen Menge an Masse? Bleiben wir einfach und betrachten Wasserstoff. 1 Gramm Wasserstoff enthält 2 Mol atomaren Wasserstoff, das heißt $2 \cdot 6.022 \cdot 10^{23} = 1.2 \cdot 10^{24}$Atome.

Wie lange wird es dauern, all diese Atome in dem von Ihnen angegebenen Tempo zu verschränken?

$1.2 \cdot 10^{24}/40 = 3 \cdot 10^{22}$Sekunden.

Wie viel Zeit ist es?

Laut dieser Wikipedia- Seite beträgt das Alter des Universums ungefähr$10^{15}$Sekunden, also wird es 10 Millionen Mal das Alter des Universums dauern, um 1 miserables Gramm Wasserstoff in diesem Tempo zu verschränken!

Selbst wenn Sie die Verschränkungsrate um den Faktor 10 Millionen* erhöhen, benötigen Sie immer noch ein ganzes Universumszeitalter, um die Aufgabe zu erfüllen.

* Abgesehen von der IC-Fertigung hat keine menschliche Technologie diese Verbesserungsrate erreicht

Keine Fernwirkung.

DIE grundlegende Einschränkung der Quantenverschränkung besteht darin, dass sie nicht zur Übertragung von Informationen verwendet werden kann. Idealerweise möchten Sie Partikel A mit Partikel B verschränken, so dass, wenn Partikel A nach oben schwingt, Partikel B nach oben schwingt, und dann Partikel A nach unten schwingt, dann schwingt Partikel B nach unten. Setzen Sie jedes Teilchen in Raumschiffe und senden Sie sie in entgegengesetzte Richtungen. Wenn Sie eine Information zwischen den Raumschiffen senden möchten, wackeln Sie einfach mit Ihrem Partikel im Morsecode und das andere Partikel buchstabiert die gleiche Nachricht auf der anderen Seite.

Einfach richtig? Falsch! Geht nicht! Ich bin mir nicht sicher warum. Ich denke, das liegt daran, dass das erste Mal, wenn einer von ihnen die Schachtel öffnet und auf sein Teilchen schaut, die Verschränkung bricht und die Teilchen nicht mehr aufeinander reagieren.

Also öffnet Alice die Schachtel und sagt: „Huh, es vibriert nach oben. Ich denke, Bobs vibriert auch nach oben.“ Und das ist das Ende der Geschichte. Sie kann nicht sagen, ob es nach oben vibriert, weil Bob es ihm gesagt hat, oder vielleicht hat es immer nach oben vibriert und Bob hat es nie berührt.

Da wir nicht kommunizieren können, können wir auch nichts tun, was indirekt kommunizieren könnte. Das schließt so ziemlich jede Form von Fernwirkung ein. Sie können also nicht zwei Dinge verschränken, die weit entfernt sind. Sie müssen sie zusammenbringen, verschränken und dann auseinander schicken.