مکانیک کوانتومی مملو از پدیده‌های عجیب است، اما شاید هیچ‌کدام به اندازه فرآیند اندازه‌گیری یک سیستم عجیب نباشد. چرا که اندازه‌گیری یک سیستم فرآیند برگشت‌ناپذیری بوده و با از بین بردن برهم‌نهی کوانتومی، سیستم را در یک حالت مشخص قرار می‌دهد تا جایی که به نظر می‌رسد مفهوم اندازه‌گیری پیوند مرموز بین دنیای کوانتومی و کلاسیک باشد.
در واقع هنگامی که در یک سیستم کوانتومی کیوبیت‌ها با یکدیگر برهمکنش دارند، اطلاعات آن‌ها به صورت غیرموضعی در یک "حالت درهم‌تنیده" به اشتراک گذاشته می‌شود. اما اندازه‌گیری سیستم باعث از بین رفتن درهمتنیدگی می‌شود. این اتفاق باعث به وجود آمدن دو فاز مجزا در سیستم می‌شود: فاز اول که در آن برهمکنش‌ها غالب است و کیوبیت‌ها با یکدیگر درهم‌تنیده هستند، و فاز دوم که در آن اندازه‌گیری غالب است و درهمتنیدگی کاهش یافته یا از بین رفته است.
آن طور که در مجله Nature گزارش شده است، محققان Google Quantum AI و دانشگاه استنفورد توانستند انتقال فاز ناشی از اندازه‌گیری را در سیستمی متشکل از 70 کیوبیت مشاهده کنند. گفتنی است این بزرگترین سیستمی است که در آن اثرات ناشی از اندازه‌گیری بررسی شده است.
مفهوم درهمتنیدگی را می‌توان در سیستمی از کیوبیت‌ها به عنوان یک شبکه پیچیده که دارای اتصالات متعددی است، تجسم کرد. تاثیر اندازه‌گیری روی این شبکه، به قدرت اندازه‌گیری بستگی دارد به گونه‌ای که می‌تواند شبکه را به طور کامل از بین ببرد، یا می‌تواند بعضی اتصالات خاص از شبکه را تخریب کرده و باقی را سالم نگه دارد.
البته دیدن این شبکه درهمتنیدگی در یک آزمایش بسیار چالش برانگیز است چراکه خود شبکه نامرئی است و صرفا می‌توان با مشاهده همبستگی‌های آماری بین نتایج اندازه‌گیری کیوبیت‌ها، به خواص شبکه پی برد. همین چالش‌هاست که تا کنون این گونه آزمایشات را با مشکل مواجه کرده و مطالعه انتقال فاز ناشی از اندازه‌گیری را به سیستم‌های با اندازه بسیار کوچک محدود کرده است.
در گزارش این آزمایش آمده است که محققان برای غلبه بر این چالش‌ها، ابتدا ترتیب عملیات‌ها را به گونه‌ای تنظیم کردند که تمام اندازه‌گیری‌ها در پایان آزمایش انجام شوند که باعث کاهش پیچیدگی آزمایش شد. دوم، آن‌ها به وسیله یک کیوبیت کاوشگر (Probe qubit) روش جدیدی برای اندازه‌گیری ویژگی‌های خاص شبکه ایجاد کردند. به این ترتیب آن‌ها توانستند با تعداد آزمایش کمتری نسبت به قبل، اطلاعات بیشتری درباره شبکه درهمتنیدگی کسب کنند.
همان‌طور که گفته شد، ایده جدیدی که محققان در این آزمایش از آن بهره بردند، کیوبیت کاوشگر است که مانند همه کیوبیت‌ها، مستعد اثرپذیری از نویزهای ناخواسته در محیط است. از آنجا که نویز می‌تواند محاسبات کوانتومی را مختل کند، این یک امر منفی تلقی می‌شود اما محققان با توجه به اینکه حساسیت کاوشگر به نویز، به ماهیت شبکه درهمتنیدگی اطراف آن بستگی دارد، این چالش را به یک ویژگی تبدیل کردند. در واقع زمانی که سیستم در فاز درهمتنیدگی قرار دارد یعنی برهمکنش‌ها نسبت به اندازه‌گیری غالب بوده و درهمتنیدگی گسترده وجود دارد، کیوبیت کاوشگر به نویز در کل سیستم حساس است. اما زمانی که سیستم در فاز جداسازی قرار داشته و اندازه‌گیری بر برهمکنش‌ها غالب است، کیوبیت کاوشگر فقط به نویز نزدیکترین کیوبیت‌های خود حساس است. مقایسه میزان اثرپذیری کیوبیت کاوشگر از نویز در این دو حالت، نشانه‌ای از انتقال فاز ناشی از اندازه‌گیری در سیستم است.
این تیم همچنین شکل جدیدی از فرابرد کوانتومی (quantum teleporation) را نشان دادند که به طور طبیعی از اندازه‌گیری پدیدار می‌شود. آن‌ها توانستند با اندازه‌گیری روی همه کیوبیت‌های دور از هم به جز دو کیوبیت که در یک حالت درهم‌تنیده ضعیف بودند، درهمتنیدگی قوی‌تری بین آن دو ایجاد کنند. پایداری درهمتنیدگی در برابر اندازه‌گیری، هنگامی که سیستم در فاز درهمتنیدگی است، می‌تواند الهام‌بخش طرح‌های جدیدی باشد تا محاسبات کوانتومی را در برابر نویز قوی‌تر کند.
منبع
Pedram Roushan, Measurement-induced entanglement and teleportation on a noisy quantum processor, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06505-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06505-7
