Физики научились запутывать фотоны в четырех измерениях

Сотрудничество исследователей Венского технического университета с китайскими лабораториями привело к созданию важного элемента для оптических квантовых компьютеров. Как сообщают авторы в журнале Nature Photonics, ученые разработали квантовый логический вентиль, который позволяет проводить вычисления с парами фотонов, каждый из которых может одновременно находиться в четырех различных квантовых состояниях или их комбинациях. 

Кудиты вместо привычных кубитов

Классический компьютер оперирует только нулями и единицами. В квантовой технике есть кубиты — квантовые биты, которые могут одновременно находиться в состоянии 0 и 1, благодаря принципу суперпозиции. Но фотон, как квантовая частица, способен принимать еще больше вариантов. В таких случаях говорят о кудитах — квантовых единицах, которые могут существовать в четырех и более состояниях одновременно.

«Мы разработали схему совместной обработки двух кудитов в двух фотонах, а китайские коллеги реализовали ее в лаборатории. Это создает возможности для новых квантовых алгоритмов, которые способны обрабатывать больше информации быстрее, чем традиционные кубиты», — объясняет Николай Фриис из Института атомной и субатомной физики Венского технического университета. 

Квантовая физика в четырех измерениях

До сих пор большинство экспериментов с фотонами опирались на поляризацию, которая дает только два состояния. Фриис и его команда изучают пространственную форму волны фотонов, которая может принимать множество конфигураций, соответствующих различным орбитальным угловым моментам. Это позволяет расширить возможности суперпозиции и работать с более сложными системами.

Два фотона в таких состояниях могут быть приведены в запутанное состояние — квантовую связь, при которой изменение одного фотона мгновенно отражается на другом, даже на расстоянии. Новый квантовый вентиль позволяет не только создавать эту запутанность, но и разъединять ее в контролируемой форме, возвращая фотоны в независимые состояния.

«Для первого эксперимента мы использовали четыре состояния. Это как если бы, кроме привычных направлений север-юг и восток-запад, у нас появились две дополнительные оси движения. В итоге мы работаем в четырехмерном пространстве, где можно комбинировать состояния произвольно», — говорит Фриис.

Технологические вызовы

Создание вентиля потребовало высокой точности и контроля.

«Мы можем определять, когда протокол сработал, и при необходимости повторять процедуру. Это критически важно для практического применения», — поясняет Фриис.

Работа с фотонами в четырех состояниях предъявляет особые требования к оборудованию, калибровке и стабильности лазеров.

В квантовой физике «вентиль» — это устройство или операция, которая управляет состояниями квантовых частиц, как логический элемент в классическом компьютере управляет битами. То есть это «кнопка» или «переключатель», который заставляет частицы взаимодействовать определенным образом.

Китайская группа Хуэй-Тянь Вана добилась значительного прогресса в точности экспериментов, обеспечив стабильное управление фотонами и контролируемую запутанность.

«Мы можем создавать запутанные состояния и проверять их с помощью специальных опознавательных меток, что делает эксперимент воспроизводимым», — добавляет Фриис.

Практическая значимость

По словам Маркуса Хубера, нововведение повышает эффективность квантовой передачи информации.

«Нужно меньше частиц, чтобы передать тот же объем данных, что улучшает надежность операций и снижает вероятность ошибок. В результате вентиль делает возможными более сложные квантовые вычисления с большим количеством данных и переменных». 

Кроме того, использование кудитов позволяет разрабатывать алгоритмы, которые раньше были невозможны. Например, в задачах оптимизации и моделирования сложных физических процессов четыре состояния фотона дают больше вариантов кодирования информации, ускоряя вычисления.

«Это открытие буквально расширяет горизонты квантовых технологий. Мы движемся к системам, способным решать задачи гораздо быстрее и эффективнее, чем классические компьютеры», — подчеркивают ученые. 

Оно также закладывает основу для будущих квантовых сетей и коммуникаций с повышенной безопасностью, так как запутанность фотонов может быть использована для защищенной передачи информации.