Квантовые физики установили новый рекорд по запутыванию фотонов вместе

Новый метод переплетения судеб фрагментов света преодолел ряд серьезных препятствий на пути к квантовым вычислениям на основе фотонов.

Исследователи из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Германии успешно запутали 14 фотонов в состояние, которое считается оптимальным для кубитов, что более чем вдвое превышает предыдущие попытки, а также повышает их эффективность.

В отличие от «битов» двоичного кода, стоящих за более традиционными формами вычислительной техники, кубиты существуют в состояние вероятности, называемое суперпозицией, которое ведет себя как подброшенная монета, кувыркающаяся в воздухе.

Алгоритмы, основанные на том, как падают группы квантовых монет, могут быстро справиться с довольно сложной математикой, но только если их коллективное вращение не сбивается с курса окружающей средой.

Называемое декогеренцией, это прерывание суперпозиции частиц является огромным препятствием для инженеров, проектирующих полезные квантовые компьютеры.

Теоретически просто обо всем может существовать в квантовой суперпозиции состояний, от электронов до атомов и целых молекул (или больше). Но чтобы ограничить декогерентность, меньшие и более простые объекты берут верх.

Фотоны — идеальные кубиты. К сожалению, практическим квантовым компьютерам нужно много кубитов. Тысячи. Даже миллионы. Чем больше, тем лучше. Мало того, что все они должны одновременно вращаться в суперпозиции, их судьбы должны быть разделены. Или, если использовать физический термин, запутать.

Вот где возникает проблема.

Существуют относительно простые способы запутать пары фотонов. Заставьте атом излучать световую волну, а затем разделите ее с помощью специального экрана, и вы получите два фотона с общей историей.

Пока они остаются в полете, их соответствующие характеристики еще предстоит измерить , они более или менее действуют как вращающаяся монета. В конце концов, один выпадет орлом, а другой решкой.

Запутывание более двух фотонов становится более сложной задачей.

В экспериментах с объектами, называемыми квантовыми точками, удалось запутать цепочки три-четыре фотона. Мало того, что маловероятно, что когда-либо будут созданы сотни и тысячи, необходимые для квантового компьютера, состояние запутанности, использующее этот подход, не так надежно, как хотелось бы инженерам.

Подробнее недавние исследования с использованием атомов с большими электронными орбиталями, называемых ридберговскими атомами, произвели до шести запутанных фотонов, все в эффективно запутанной форме. Хотя этот метод может использоваться для сверхбыстрых вычислительных компонентов, он также не является легко масштабируемым вариантом.

Это новейшее решение теоретически может производить любое количество запутанных фотонов, причем все в идеальном состоянии.

«Хитрость этого эксперимента заключалась в том, что мы использовали один атом, чтобы излучать фотоны и переплетать их очень специфическим образом», — говорит докторант по физике и ведущий автор Филип Томас.

>Атом рубидия был возбужден, чтобы излучать световые волны, которые направлялись в полость, форма которой позволяла очень точно отражать их туда и обратно. фотон может быть запутан со всем состоянием атома — это означает, что каждый фотон, прыгающий туда-сюда в полости, также был запутан со значительным числом своих братьев и сестер.

«Потому что цепочка фотонов возникла из одного атома , его можно было бы получить детерминистическим способом», — говорит Томас.

В этом случае команде удалось запутать 12 фото. в менее эффективном линейном кластере и 14 в высоко ценимом состоянии Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ).

«Насколько нам известно, 14 взаимосвязанных световых частиц представляют собой наибольшее количество запутанных фотонов. которые до сих пор были сгенерированы в лаборатории», — говорит Томас.

Они не только смогли запутать так много фотонов, но и повысили эффективность этого метода по сравнению с прошлыми процессами: почти один из каждых двух фотонов обеспечивая аккуратно запутанные кубиты.

В будущих установках потребуется ввести второй атом, чтобы обеспечить кубиты, необходимые для многих операций квантовых вычислений. Запутанные фотоны могут стать основой для технологий, выходящих за рамки вычислений и играющих центральную роль в коммуникациях с квантовым шифрованием.

Это исследование было опубликовано в Nature.