¿Sería posible entrelazar cuánticamente partículas a escala masiva?

Reduce la velocidad a la que pierdes el enredo

(El documento, para cualquiera que quiera leerlo, es Humphreys et al. 2018 ).

El gran problema aquí no es enredar las partículas per se , el problema es mantenerlas enredadas. Los autores señalan que lo que nos interesa no es solo la velocidad a la que entrelazamos partículas$r_{\text{ent}}$, sino también la tasa de decoherencia $r_{\text{dec}}$, la velocidad a la que las partículas se decoheren, a menudo debido a las interacciones con su entorno inmediato. Esto rompe el enredo y es un gran problema en la computación cuántica, por varias razones. Ahora, necesitas tener$r_{\text{ent}}>r_{\text{dec}}$tener una ganancia neta positiva de pares entrelazados, o, como ellos dicen, una eficiencia de enlace cuántico de$\eta\equiv r_{\text{ent}}/r_{\text{dec}}>1$. Si$\eta<1$, el número de partículas entrelazadas está disminuyendo.

El estudio en cuestión produce tasas de enredo de$r_{\text{ent}}=39\text{ Hz}$(donde nuestras unidades se refieren a partículas enredadas por segundo). El trabajo anterior ( Stockhill et al. 2017 ) produjo tasas de enredo tan altas como$r_{\text{ent}}\sim1000\text{ Hz}$usando objetos llamados puntos cuánticos, pero a costa de$r_{\text{dec}}\sim10^7\text{ Hz}$, para una eficiencia de sólo$\eta\sim10^{-4}$, una pérdida neta. El gran salto aquí fue producir una cantidad significativamente grande$\eta$produciendo bajas tasas de decoherencia. Con$r_{\text{dec}}=5\text{ Hz}$, Humphreys et al. logró una eficiencia de$\eta=39/5\approx8$. Eficiencias de enlace cuántico significativamente mayores que$\eta=1$¡es posible!

Volvamos a los puntos cuánticos. Stockhill et al. fueron capaces de enredar qubits a una velocidad de$r_{\text{ent}}=7300\text{ Hz}$- ¡casi 200 veces más cada segundo! Pero hay límites en la rapidez con la que puede entrelazar partículas, y esos límites los establece su configuración experimental. Por ejemplo, el experimento de puntos cuánticos requería láseres, detectores, un campo magnético y muchos equipos adicionales. Así que tendrá que mejorar su configuración experimental para aumentar$r_{\text{ent}}$. Los autores especularon que podrían alcanzar$r_{\text{ent}}\approx130000\text{ Hz}$con mejoras particulares.

Una vez más, sin embargo, aún tendría que lidiar con las tasas de decoherencia. pero levantando$r_{\text{ent}}$por tanto, un factor de 20, haría que el método de puntos cuánticos fuera potencialmente más factible, en términos de eficiencia$\eta$. Solo tienes que lidiar con la decoherencia.

La gente ha señalado que, en comparación con la cantidad de partículas con las que interactuamos en escalas macroscópicas, solo se pueden entrelazar pequeñas cantidades de partículas en escalas de tiempo razonables. Esto es cierto, pero pasa por alto el hecho de que probablemente no necesite un número absurdamente grande de pares entrelazados. Por ejemplo, las computadoras cuánticas pueden realizar cálculos bastante potentes con unos pocos miles de qubits , e incluso docenas de qubits permitirían un excelente rendimiento para algunas tareas. Así que sospecho que esto no es realmente un problema en absoluto.

Si produjéramos qubits utilizando los métodos de Humphreys et al., la ganancia neta de partículas entrelazadas sería

Olvídese de entrelazar partículas a gran escala. Es una tarea abrumadora. ¿Por qué?

Comencemos con su declaración

un método que puede generar 40 enredos bajo demanda en un solo segundo.

¿Cuántos átomos hay en una cantidad sustancial de masa? Seamos simples y consideremos el hidrógeno. 1 gramo de hidrógeno contiene 2 moles de hidrógeno atómico, lo que significa $2 \cdot 6.022 \cdot 10^{23} = 1.2 \cdot 10^{24}$átomos

¿Cuánto tiempo llevará entrelazar todos esos átomos al ritmo que especificaste?

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

¿Cuánto tiempo es?

Según esta página de Wikipedia , la edad del Universo es aproximadamente$10^{15}$segundos, por lo que se necesitarán 10 millones de veces la edad del universo para terminar de enredar 1 miserable gramo de hidrógeno a ese ritmo.

Incluso si aumenta la tasa de entrelazamiento en un factor de 10 millones*, aún necesitaría una edad del Universo completa para completar la tarea.

*ninguna tecnología humana se ha acercado a esta tasa de mejora, aparte de la fabricación de circuitos integrados

Sin acción a distancia.

LA limitación fundamental del entrelazamiento cuántico es que no se puede utilizar para transmitir información. Idealmente, le gustaría entrelazar la partícula A con la partícula B de modo que cuando la partícula A vibre hacia arriba, la partícula B vibre hacia arriba, luego la partícula A vibre hacia abajo y luego la partícula B vibre hacia abajo. Pon cada partícula en naves espaciales y envíalas en direcciones opuestas. Cuando desee enviar información entre las naves espaciales, simplemente mueva su partícula en código Morse y la otra partícula deletrea el mismo mensaje en el otro lado.

¿Fácil verdad? ¡Equivocado! ¡No se puede hacer! No estoy realmente seguro de por qué. Creo que es porque la primera vez que uno de ellos abre la caja y mira su partícula, el enredo se rompe y las partículas ya no responden entre sí.

Entonces Alice abre la caja y dice "eh, está vibrando hacia arriba. Supongo que la de Bob también está vibrando hacia arriba". Y ese es el final de la historia. No puede decir si está vibrando hacia arriba porque Bob se lo ordenó, o tal vez siempre estuvo vibrando hacia arriba y Bob nunca lo tocó.

Como no podemos comunicarnos, tampoco podemos hacer nada que pueda ser indirectamente para comunicarnos. Eso incluye prácticamente cualquier forma de acción a distancia. Entonces no puedes enredar dos cosas que están muy lejos. Tienes que juntarlos, enredarlos y luego separarlos.