Физики из Университета науки и технологий (Хэфэй, Китай) впервые поставили эксперимент по запутыванию 10 одиночных, пространственно разделенных фотонов. Этот на два фотона больше, чем предыдущий рекорд. Добиться этого удалось с помощью новой, более эффективной схемы создания пар запутанных фотонов. Разработка позволяет реализовать алгоритмы коррекции квантовых ошибок (например, из-за выхода из когерентного состояния), а также квантовой телепортации. Кроме того, предложенная платформа поможет реализовать квантовое вычислительное устройство, которое сможет обойти классические вычислители. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Physics.

Считается, что создание квантовых компьютеров поможет решать вычислительные задачи, недоступные традиционным вычислителям. Однако, преимущество квантовых систем над обычными достигается лишь в некоторых специальных задачах, например, таких как разложение чисел на простые множители. В простых же задачах (например, сложение чисел) прироста производительности квантовые алгоритмы не дадут. Экспериментально превосходство квантовых систем над классическими недавно продемонстрировала компания Google, на примере вычислителя D-wave и задач оптимизации пути (задачи комивояджера).

Схема установки. Луч лазера проходит через пять сандвичей, в которых образуются пары запутанных фотонов. Половина фотонов направляют к поляризующим делителям пучка, где и обеспечивается запутанность. Xi-Lin Wang et al. / arXiv.org, 2016

Один из видов квантовых вычислителей, над которыми работают физики — бозонные сэмплеры. В основе их идеи лежит устройство под названием доска Гальтона. Она представляет собой наклонную доску, на которой вбиты штырьки, образующие периодическую решетку. Под ними располагаются ячейки. Если отпустить с верха доски шарик, то несколько раз ударившись о штырьки он попадет в одну из нижних ячеек. Повторив этот эксперимент много раз шарики сформируют биноминальное распределение.

Доска Гальтона (слева), бозонный сэмплер и колебательный спектр. Wikimedia Commons / Joonsuk Huh et al. / arXiv.org, 2016

Бозонные сэмплеры используют вместо шариков фотоны, а вместо штырьков и доски — оптический стол с пересекающимися оптическими путями для разных фотонов. Физики определяют статистику распределения запутанных фотонов, прошедших через сэмплер. Правильно настроив прибор, с его помощью можно вычислять колебательные спектры молекул — достаточно сложную для современных компьютеров задачу. Для того, чтобы добиться превосходства квантового алгоритма перед классическим ученым требуются системы из большого количества запутанных частиц. Сложность вычислений растет с количеством частиц гораздо быстрее для компьютера, чем для квантового вычислителя. Ученые оценивают, что для превосходства бозонного сэмплера над классическими системами требуется по меньшей мере 20–30 запутанных фотонов.

До новой работы рекордным количеством одновременно запутанных одиночных фотонов было восемь — этого результата добились физики из Шанхая в 2012 году. Разработанная платформа позволяла получать восьмерки фотонов с частотой девять событий в час. Для 10-фотонных состояний частота на аналогичной установке составляла бы 170 событий в год, что значительно осложнило бы вычисления. Авторы нового исследования добились почти в 600 раз большей частоты 10-фотонных событий: 11 штук в час.

Для этого исследователи использовали новую, более эффективную схему генерации пар запутанных фотонов. Традиционно для этого используют одиночные кристаллы бората бария. Одиночные фотоны в них превращаются в пары частиц с «уполовиненной» энергией, разлетающихся под углом к изначальному направлению. Физики же использовали «сандвичи» из двух кристаллов, разделенных пластинкой, меняющей поляризацию фотонов. Правильно подобранная схема позволила добиться рекордной яркости источника, что и стало ключом к успеху исследования.

Результаты измерения поляризации 10 фотонов. Статистика собиралась на протяжении 35 часов. Xi-Lin Wang et al. / arXiv.org, 2016

Всего в установке было пять таких «сандвичей», каждый из которых генерировал пары запутанных фотонов. Половина фотонов направлялась в специальную схему с поляризующиим фотоделителями. Длина их путей подбиралась так, чтобы фотоны одновременно достигали делителей, находясь при этом по разные стороны от них. Затем для каждого из 10 фотонов определялась поляризация — для этого в схеме находилось 20 однофотонных детекторов. Благодаря общей запутанности частиц, все они оказывались поляризованы строго одинаково: либо горизонтально, либо вертикально. Это соответствовало реализации ровно двух из 1024 возможных состояний.

Помимо фотонов физики умеют запутывать и другие частицы. К примеру, недавно мы писали о квантовом запутывании сразу 219 ионов бериллия. Под запутыванием в квантовой физике понимается наличие корреляции между состояниями двух и более частиц. Каждая из них может находиться в состоянии кота Шредингера и при измерении случайным образом давать одну из двух поляризация или спинов. Но измерение одной запутанной частицы из всей системы сразу (моментально, без задержки на скорость света) изменяет состояние всех остальных объектов. Таким образом запутанные системы ведут себя как один объект, даже несмотря на то, что их части могут находиться в разных точках.

Автор: Владимир Королёв