Німецьким фізикам вдалося заплутати понад десять фотонів, випущених з одного атома: залучити до 14 фотонів у стан Грінбергера-Хорна-Зейлінгера та до 12 фотонів — у кластерний стан. Це найбільша кількість заплутаних оптичних фотонів, що була досі продемонстрована, яка дасть можливість масштабувати платформи, де кубітами виступають фотони. У майбутньому, як пишуть вчені у Nature, їхній метод можна розширити і до двох атомів у резонаторі.
Експериментальна установка фізиків. MPQ
Навіщо заплутують фотони?
Квантові ефекти, як-от квантова заплутаність та інтерференція, не грають безпосередньої ролі в обробці інформації сьогодні, однак ми знаємо, що їхнє використання здатне змінити наше розуміння криптографії, безпеки та швидкості обчислень. І квантові комп'ютери, у яких замість звичних нам бітів, які мають «одиниці» і «нулі», використовуються кубіти, що з огляду на суперпозицію мають більшу інформаційну ємність, обіцяють обробляти більше інформації та розв'язувати складні з точки зору обчислювальної потужності задачі.
Однак якщо основні принципи роботи з кубітами вже були неодноразово продемонстровані у лабораторіях фізиками, серйозною проблемою лишається масштабованість таких систем.
І одним з перспективних напрямків квантової інформатики став розвиток так званих однобічних квантових комп'ютерів (one-way quantum computing), де ресурсом для обчислень виступає заздалегідь підготований заплутаний стан декількох кубітів. Цей метод, на противагу квантовим вентилям, які обробляють кубіти, послуговується не оберненими змінами стану кубітів, а використовуючи для зчитування інформації одиничні кубіти, руйнує їхній стан результаті вимірювань. Над його вдосконаленням і працювали фізики з Інституту квантової оптики імені Макса Планка.
Як заплутують фотони?
Серед запропонованих подібних платформ, найбільш перспективними на роль кубітів вважаються фотони, оскільки вони менш піддаються декогеренції. Однак традиційний спосіб їхнього заплутування — спонтанне параметричне розсіяння — хоч і демонструє заплутування до десяти фотонів, має імовірнісний характер, а тому масштабування до більшої кількості фотонів у системі є складнішим.
І у цій роботі фізики вирішили використати детермінований метод створення заплутаних станів, який використовує єдиний випромінювач, що випускає заплутані фотони. Експерименти із квантовими точками і ансамблями атомів вже показували ефективність створення до чотирьох і до шести фотонів, дослідникам вдалося подолати перевагу менш зручного методу розсіяння.
Вони заплутували фотони за допомогою єдиного атома рубідію-87, який помістили в оптичний резонатор. Лазерні промені, які випромінювали перпендикулярно резонатору, дозволили підготувати випромінювані атомом фотони у потрібний заплутаний стан. Всього фізики отримали ланцюжок з 12 фотонів у кластерному стані та 14 —у станах Грінбергера-Хорна-Зейлінгера. Протокол експерименту, по суті, складається з періодичної послідовності генерації фотонів, що чергуються з однокубітними поворотами атома.
Оптичний резонатор. MPQ
Що зробили фізики?
Фізики продемонстрували масштабоване і вільно налаштовуване джерело заплутаних фотонів, яке на сьогодні демонструє найбільше заплутаних станів частинок. Він не потребує імовірнісних вентилів, що вже дає перевагу у масштабованості. Поки створена ними система стикається в основному з технічними обмеженнями: оптичні втрати та недосконалі раманівські імпульси. Однак у майбутньому фізики пропонують навіть розширити свою систему до двох атомів у резонаторі або навіть зв'язати кілька джерел фотонів для створення кластерних станів фотонів більшої розмірності.