Kuantum Dolanıklığın Sınırları
Kuantum dolanıklık, iki parçacığın dolanık hale geldiği ve büyük mesafelerle ayrılmış olsalar bile zaman içinde bağlı kaldıkları bir süreçtir. Bu olguyu tespit etmek hem kuantum teknolojisinin geliştirilmesi hem de kuantum çoklu cisim fiziğinin incelenmesi açısından büyük önem taşımaktadır.
Tsinghua’daki araştırmacılar yakın zamanda, karmaşık ve “gürültülü” sistemlerde dolanıklığın güvenilir ve verimli bir şekilde tespit edilmesinin neden genellikle çok zor olduğunu kanıtlayan olası nedenleri araştıran bir çalışma yürüttüler. Physical Review Letters dergisinde yayınlanan bulguları, dolaşıklık tespit yöntemlerinin etkinliği ve verimliliği arasında bir değiş tokuşun varlığına işaret ediyor.
“Çalışmayı yürüten araştırmacılardan Xiongfeng Ma Phys.org’a yaptığı açıklamada, “20 yılı aşkın bir süre önce araştırmacılar çoğu kuantum durumunun dolaşık olduğunu keşfetti.
“Bu, örneğin 100 kübitlik bir sistem, örneğin bir süper iletken veya iyon kapanı kuantum hesaplama sistemi kurmayı başardıysak, bu sistemin kübitlerin birbirleriyle yoğun bir şekilde etkileşime girdiği bir süre boyunca gelişeceği anlamına geliyor. Elbette hatalar olacaktır, bu nedenle iyi bir tutarlı kontrol sağlamak için sistemi çevreden makul ölçüde izole ederiz. Saflık (izolasyon çabamızın etkinliğini ölçen) kübit sayısı ile üstel olarak küçük olmadığı sürece, sistemin dolaşık olma olasılığı yüksektir.”
Dolaşıklığı gerçekleştirmek teorik olarak oldukça basit görünse de, deneysel ortamlarda bunu başarmak aslında çok zordur. Çalışmalar, 18 kübitten oluşan sistemler gibi büyük kuantum sistemlerinde bunun özellikle zor olduğunu göstermiştir. Ma ve meslektaşlarının son çalışmasının temel amacı, büyük sistemlerde dolanıklığın tespit edilmesiyle ilgili zorlukları daha iyi anlamaktı.
Çalışma, dolaşıklığın tespitindeki mevcut sınırlamaları ortaya çıkarıyor
Ma, “Araştırmacılar yavaş yavaş, büyük bir sistem için dolaşık durum hazırlamanın kolay olsa da, dolaşıklık tespitinin pratikte çok zor olabileceğini fark ettiler” dedi. “Çalışmamızda, bir dolaşıklık tespit yönteminin etkinliğini ölçmek için matematiksel bir formülasyon oluşturuyoruz. Uygun bir kuantum durum dağılımı kullanıyoruz, etkinliğini ölçmek için tespit edilebilir dolaşık durum oranını kullanıyoruz ve ayrıca bir dolaşıklık tespit yönteminin etkinliğini bu yöntem için gereken gözlemlenebilirlerin sayısına göre ölçüyoruz.”
Ma ve meslektaşları ilk olarak, günümüzde mevcut olan en basit dolaşıklık tespit protokolü olan ve dolaşıklık tanıkları olarak bilinen protokolü incelediler. Bu protokolün dolaşıklığı tespit etme kabiliyetinin sistem büyüdükçe iki kat üstel bir değerle azaldığını gösterdiler.
Araştırmacılar daha sonra, bir sistemin boyutuyla bağlantılı olarak etkinlikteki bu azalmanın diğer dolaşıklık tespit protokollerini de etkilediğini buldular. Bir dizi teorik değerlendirmeden sonra, dolanıklık tanıkları yönteminin performansına ilişkin gözlemlerini, tek kopya kuantum durum ölçümlerine dayanan rastgele dolanıklık protokollerine genişletebildiler.
Ma, “Çevreyle bağlantılı rastgele bir durum için, tek kopyalı gerçekleştirmeye sahip herhangi bir dolaşıklık algılama protokolü ya verimsizdir ya da etkisizdir” dedi. “Verimsiz, protokolün üstel sayıda gözlemlenebilirin ölçülmesine dayandığı anlamına gelir ve etkisiz, dolaşıklığın başarı oranının iki kat üstel olarak düşük olduğu anlamına gelir.”
Esasen Ma ve meslektaşları, dolaşıklığı büyük ölçekte gözlemlemek için araştırmacıların bir sistemdeki tüm etkileşimleri yüksek hassasiyetle kontrol edebilmeleri ve bunlarla ilgili neredeyse tüm bilgileri bilmeleri gerektiğini gösterdi. Bu nedenle, sistem hakkında çok fazla belirsizlik olduğunda, dolanıklığın meydana geldiğinden neredeyse emin olunsa bile, dolanıklığı tespit etme olasılığı çok küçüktür.
Ma, “Hiçbir dolaşıklık tespit protokolünün hem verimli hem de etkili olmadığını kanıtladık” dedi. “Bu, gelecekte dolaşıklık tespit protokollerinin tasarlanmasına yardımcı olabilir. Bu arada, büyük ölçekli dolaşıklığı tespit etmek, farklı kuantum hesaplama sistemlerini karşılaştırmak için iyi bir gösterge olabilir. Örneğin, bir laboratuvar ekibi yüzlerce kübitlik bir sistem kurduklarını iddia ettiklerinde, dolaşıklığı tespit etmeleri gerekir. Aksi takdirde sistemi yeterince iyi kontrol edememiş olurlar.”
Genel olarak, bu araştırmacı ekibi tarafından elde edilen bulgular, mevcut dolaşıklık tespit yöntemlerinin verimliliği ve etkinliği arasında bir değiş tokuşun varlığını vurgulamaktadır. Ayrıca, büyük ölçekli ve gürültülü kuantum sistemlerinde dolaşıklığı tespit etmenin neden bu kadar zor olduğu konusunda da değerli bilgiler sunuyorlar.
Ma, “Elde ettiğimiz sonuç, sistem iyi kontrol edildiğinde (yani, birleşik ortam nispeten küçük olduğunda) hem verimli hem de etkili bir protokol tasarlamamızı engellemiyor,” diye ekledi. “Şu anda, yalnızca dolanıklık tanıkları gibi saf durumlar için iyi çalışan dolanıklık tespit protokollerimiz ve üstel maliyet pahasına büyük ortamlar için çalışan protokollerimiz var. Orta büyüklükteki ortamlar için nispeten düşük maliyetle çalışan bir dolaşıklık tespit protokolünün hala eksik olduğunu fark ettik ve şimdi bir tane geliştirmeye çalışmak istiyoruz.”
Kaynak: https://phys.org/news/2022-12-uncovers-limitations-entanglement.html
Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı phys.org sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.
More information: Pengyu Liu et al, Fundamental Limitation on the Detectability of Entanglement, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.230503
Karol Życzkowski et al, Volume of the set of separable states, Physical Review A (2002). DOI: 10.1103/PhysRevA.58.883
Leonid Gurvits et al, Largest separable balls around the maximally mixed bipartite quantum state, Physical Review A (2002). DOI: 10.1103/PhysRevA.66.062311
Stanislaw J. Szarek, Volume of separable states is super-doubly-exponentially small in the number of qubits, Physical Review A (2005). DOI: 10.1103/PhysRevA.72.032304
Xi-Lin Wang et al, 18-Qubit Entanglement with Six Photons’ Three Degrees of Freedom, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.260502
Journal information: Physical Review Letters , Physical Review A
