“فشردن” نویز در یک طیف فرکانسی گسترده در یک سیستم کوانتومی می‌تواند منجر به اندازه گیری‌های کوانتومی دقیق‌تر و سریعتر شود.
مقداری نویز ذاتی در هر سیستم کوانتومی وجود دارد. به عنوان مثال، هنگامی که پژوهشگران می‌خواهند اطلاعات را از یک کامپیوتر کوانتومی بخوانند، که برای حل مسائلی که برای کامپیوترهای کلاسیکی پیچیده هستند، از پدیده های کوانتومی استفاده می کند، ذات فیزیک کوانتومی یک حداقل خطای اجتناب ناپذیر را نیز به دنبال دارد که دقت اندازه‌گیری‌ها را محدود می کند.
دانشمندان با استفاده از “تقویت پارامتریک” می‌توانند به طور موثری این محدودیت را برطرف کنند و با “فشردن” نویز، اثرات نویز روی یک متغیر را کاهش داده و در عین حال نویز را بر روی متغیر مزدوج آن افزایش دهند. در صورتی که میزان کلی نویز همچنان ثابت باقی بماند. پژوهشگران می‌توانند با اندازه گیری متغیر با نویز کمتر، اندازه گیری‌های دقیق‌تری انجام دهند.
تیمی از پژوهشگران دانشگاه MIT، یک تقویت کننده پارامتریک ابررسانا جدید توسعه داده‌اند که از نظر تقویت کنندگی مانند تقویت کننده های پارامتریک قبل می باشد ولی فشردگی کوانتومی را در طیف فرکانسی گسترده تری فراهم می کند. در این آزمایش فشردگی نویز در یک پهنای باند فرکانسی حداکثر تا 1.75 گیگا هرتز امکان پذیر است در حالی که در نمونه های قبلی عموماً پهنای باند حداکثر تا 100 مگاهرتز بود.
این دستگاه جدید با پهنای باند بالا، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا اطلاعات کوانتومی را بسیار موثرتر خوانده و سیستم‌های کوانتومی سریعتر و دقیق‌تری را بسازند. با کاهش خطای اندازه‌گیری‌ها، این معماری می‌تواند در سیستم‌های چند کیوبیتی یا سایر برنامه‌های اندازه‌گیری‌ای که دقت بسیار بالا نیاز دارند، مورد استفاده قرار گیرد.
Jack Qiu، نویسنده مقاله درباره این پیشرفت می‌گوید: “همانطور که حوزه محاسبات کوانتومی رشد می کند و تعداد کیوبیت ها در این سیستم ها به هزاران کیوبیت افزایش می یابد، نیاز است که باید از تقویت کننده هایی با پهن باند بالا استفاده کرد. با معماری ما در تئوری میتوانید به طور همزمان اطلاعات هزاران کیوبیت را بخوانید.”
فشردن نویز تا کمتر از حد کوانتومی استاندارد (standard quantum limit)
مدارهای کوانتومی ابررسانا مانند بیت کوانتومی یا “کیوبیت”، اطلاعات را در سیستم های کوانتومی پردازش و انتقال می دهند. این اطلاعات توسط سیگنال های الکترومغناطیسی مایکروویو که شامل فوتون ها هستند حمل می شوند. اما این سیگنال ها می توانند بسیار ضعیف باشند، بنابراین پژوهشگران از تقویت کننده ها استفاده می کنند تا سطح سیگنال را به گونه ای تقویت کنند که اندازه گیری های دقیق امکان پذیر شود.
با این حال، یک ویژگی کوانتومی به نام اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، اضافه کردن حداقلی از نویز را در طول فرآیند تقویت، اجتناب ناپذیر می کند، که به حد کوانتومی استاندارد نویز منجر می شود. با این حال، دستگاه خاصی به نام تقویت کننده پارامتریک جوزفسون، می تواند با “فشردن” نویز آن را زیر حدهای اصلی فشرده کند و آن را جای دیگری توزیع کند.
اطلاعات کوانتومی در متغیرهای مزدوج، به عنوان مثال، برای موج الکترومغناطیسی، برحسب دامنه و فاز نشان داده می شود. با این حال، در بسیاری از موارد، پژوهشگران فقط نیاز به اندازه گیری یکی از این متغیرها – دامنه یا فاز – جهت تعیین حالت کوانتومی سیستم دارند. در این موارد، آنها می توانند “نویز را فشرده کنند” و آن را برای یکی از متغیرها مثلاً برای دامنه کاهش دهند و برای متغیر مزدوج، فاز، آن را افزایش دهند. میزان کلی نویز به دلیل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ثابت می ماند، اما توزیع آن به گونه ای است که اندازه گیری ها با نویزکمتر را برای یکی از متغیرها ممکن می کند.
تقویت کننده پارامتریک جوزفسون معمولی بر پایه رزوناتور است: شبیه به یک محفظه بازتاب کننده با عنصر غیرخطی ابررسانای پیوند جوزفسون به عنوان عنصر اصلی آن. فوتون ها وارد محفظه بازتاب کننده می شوند و بارها با پیوند جوزفسون برهم کنش خواهند داشت. در این محیط، غیرخطی بودن سیستم – ناشی از پیوند جوزفسون- تقویت و فشرده سازی پارامتریکی را فراهم می کند. با این حال، از آنجایی که فوتون ها قبل از خروج، چندین بار از پیوند جوزفسون عبور می کنند و به همین دلیل، پهنای باند و حداکثر میزان تقویت سیگنال به وسیله ی تقویت کننده ی پارامتریک جوزفسون محدود می شود.
پژوهشگران دانشگاه MIT با بکارگیری روشی دیگر به جای قرار دادن یک یا چند پیوند جوزفسون درون یک رزوناتور، بیش از 3،000 پیوند را به هم متصل کردند و تقویت کننده پارامتریک جوزفسونی traveling-wave را ساختند. فوتون ها همزمان با تعامل با یکدیگر در طول مسیر از یک پیوند به پیوند دیگر منتقل می شوند، که منجر به فشرده سازی نویز بدون می شود (به دلیل اینکه فوتون ها از یک پیوند چند بار عبور نمی کنند).
تقویت کننده های traveling-wave نسبت به تقویت کننده های رزوناتوری جوزفسون توانایی تحمل سیگنال های با توان بالاتری دارند در عین حال محدودیت کمتر در پهنای باند را دارند که منجر به تقویت کنندگی با پهنای باند و سطح فشرده سازی بالا می شود.
“می توانید این سیستم را به عنوان یک فیبر نوری بسیار بلند فرض کرد، یک نوع از تقویت کننده پارامتریک غیرخطی توزیع شده. و این ساختار این قابلیت را دارد که به 10،000 پیوند یا بیشتر هم گسترش یابد. در واقع این سیستم نسبت به معماری بر پایه رزوناتور قابلیت توسعه بیشتری دارد.
تقویت کنندگی تقریبا بدون نویز
یک جفت از فوتون های به اصطلاح پمپ به عنوان منبع انرژی وارد سیستم می شود. این امکان وجود دارد که فرکانس فوتون هایی که از هر پمپ خارج می شوند را تنظیم کرد تا فشرده سازی در فرکانس دلخواه ایجاد شود. به عنوان مثال، اگر می خواهند یک سیگنال 6 گیگاهرتز را فشرده کنند، فرکانس فوتون های پمپ را روی 5 و 7 گیگاهرتز تنظیم می کنند. هنگامی که فوتون های پمپ در داخل دستگاه با یکدیگر تعامل می کنند، با ترکیب با یکدیگر، یک سیگنال تقویت شده با فرکانسی بین فرکانس دو فوتون پمپ تولید می شود. این یک حالت خاص از یک پدیده ی عمومی تری به نام میکس امواج غیرخطی است.
“فشرده سازی نویز ناشی از یک اثر تداخل کوانتومی دو فوتونی است که در طول فرایند پارامتریکی پدید می آید”.
این معماری این امکان را می دهد تا توان نویز را با ضریب 10 زیر حد کوانتومی استاندارد کاهش داد در حالی که با پهنای باند 3.5 گیگاهرتز کار می کند – یک محدوده فرکانسی که تقریباً دو مرتبه بیشتر از نمونه های قبلی است.
همچنین این دستگاه می تواند تولید فوتون های درهمتنیده را تولید کند، که به پژوهشگران اجازه دهد اطلاعات کوانتومی را با نسبت سیگنال به نویز بسیار بالاتری بخوانند.
