Сотрудники Центра квантовых технологий МГУ нашли более эффективные способы генерации произвольных двухкубитных перепутанных состояний. Такие состояния являются основой для построения квантовых оптических сетей и создания оптических квантовых компьютеров. Учёные обнаружили, что ранее известные методы генерации таких состояний были далеки от возможного предела эффективности и в результате исследования были предложены новые методы получения таких состояний. Они необходимы для создания оптических квантовых компьютеров и для построения квантовых оптических сетей. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Applied.

Исследования выполнены в рамках Дорожной карты РФ по квантовым вычислениям, Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» и поддержаны фондом «БАЗИС».

Интерес к разработке эффективных источников перепутанных состояний фотонов возник давно — сначала в рамках фундаментальных исследований квантовой оптики, а потом в связи с появлением прикладных областей квантовых коммуникаций и квантовых вычислений. Очень часто возможность практической реализации квантовых алгоритмов приводит к необходимости генерировать специальные перепутанные состояния и, как следствие, сама возможность построить квантовую сеть или оптический квантовый вычислитель во многом зависит от того, насколько эффективно можно генерировать такие состояния.

«До недавнего времени исследователи интересовались только максимально перепутанными состояниями, т.к. известны рецепты построения квантовых компьютеров на их основе. В нашей работе мы рассмотрели генерацию всех возможных двухкубитных состояний и исследовали возможность создания простых оптических схем, которые бы генерировали любое состояние из этого класса. В частности, мы интересовались пределами эффективностей, с которыми можно генерировать двухкубитные состояния с помощью интерференции фотонов в интерферометрах и их измерений — это так называемая линейно-оптическая генерация оптических состояний», — рассказал младший научный сотрудник физического факультета МГУ и Российского квантового центра Сурен Флджян.

Работа является частью большого исследования по созданию квантовых вычислителей с использованием фотонов и интерферометров, которые ведутся в Центре квантовых технологий МГУ совместно с Российским квантовым центром в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. Интерес к генерации некоторых малокубитных перепутанных состояний, например, двух- и трёхкубитных, обусловлен использованием этих состояний в наиболее совершенной на текущий момент архитектуре оптических квантовых вычислений. В этой архитектуре большое количество таких малокубитных перепутанных состояний используется в качестве ресурса. Как следствие, возможность создания оптического компьютера и объёмы физических ресурсов, необходимых для этого, зависят от эффективности, с которой можно получать малокубитные перепутанные состояния.

Линейно-оптические квантовые вычисления используют уникальные свойства интерференции одиночных фотонов в многоканальных интерферометрах и измерений их состояний, получаемых на выходе. До данной работы была хорошо изучена линейно-оптическая генерация только одного типа состояний — тех, которые обладают максимальной перепутанностью. В то же время, было понятно, что менее перепутанные состояния можно генерировать эффективнее, чем более перепутанные, т.е. вероятность получения нужного состояния в линейно-оптической схеме может быть тем выше, чем ниже степень перепутанности этого состояния. Но соответствующего исследования с целью поиска пределов возможностей линейно-оптических методов и соответствующих оптических схем для более широкого класса состояний не проводилось. Представленные результаты решают эту задачу.

Поиск линейно-оптических схем с наибольшими эффективностями генерации перепутанных состояний сводится к нахождению конкретных параметров многоканальных интерферометров, где реализуется требуемая интерференция фотонов, поступающих на их вход. Однако такое исследование неподъемно аналитически и поэтому применялись методы компьютерной оптимизации.

В результате были найдены пределы максимальной вероятности, с которой могут генерироваться двухкубитные состояния при интерференции одиночных фотонов в многоканальных интерферометрах. Оказалось, что вероятности успешной генерации гораздо выше, чем у известных до этого линейно-оптических схем. Для практического применения были найдены соответствующие компактные оптические схемы, эффективности которых в некоторых случаях достигают найденных пределов линейно-оптической генерации. Это означает, что для построения квантового компьютера может понадобиться меньше физических ресурсов — источников фотонов, интерферометров и детекторов, что приближает создание полноценного практически значимого квантового компьютера.

«Результаты нашей работы могут найти применения в более совершенных архитектурах оптических квантовых компьютеров и в квантовых сетях. Сейчас вы ведём исследовательскую работу по применению частично перепутанных состояний в квантовых вычислениях. Также мы работаем с экспериментаторами из нашей лаборатории на физическом факультете МГУ для реализации предложенных схем в интегрально-оптическом исполнении с использованием технологии фемтосекундной лазерной печати, которую наша лаборатория развивает на протяжении нескольких лет, и с использованием источников одиночных фотонов, создаваемых нашими коллегами в Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе. В скором времени планируем сделать эксперимент по генерации перепутанных состояний. В целом, мы надеемся, что результаты нашей работы будут применяться в реальных оптических квантовых вычислителях, способных решать практически значимые задачи», — отметил соавтор работы, старший научный сотрудник Центра квантовых технологий МГУ и Южно-Уральского государственного университета Михаил Сайгин.

Источник: МГУ.