Физики связали 13 фотонных кубитов в единую квантовую систему без разрушения частиц
Китайские физики продемонстрировали новый способ объединять небольшие группы запутанных фотонов в более крупные квантовые структуры. С помощью сверхпроводящей схемы им удалось получить настоящую многочастичную запутанность сразу между 13 фотонными кубитами, причём сами фотоны при соединении не уничтожались.
Квантовая запутанность означает, что состояние нескольких частиц оказывается связано настолько тесно, что их уже нельзя полностью описывать независимо друг от друга. Такие системы нужны для квантовых вычислений, защищённой связи и будущих квантовых сетей.
Проблема в том, что создавать большие запутанные системы очень трудно. Один из подходов заключается в том, чтобы сначала подготовить несколько небольших групп фотонов, а затем соединить их. В обычных оптических схемах такая операция часто срабатывает лишь с определённой вероятностью, а участвующие фотоны при измерении могут быть потеряны.
Команда Университета Цинхуа использовала другой метод. Исследователи создавали микроволновые фотоны с помощью сверхпроводящей квантовой схемы, а информацию записывали во время их прохождения — разные моменты появления фотона соответствовали различным состояниям кубита.
Чтобы соединять подготовленные группы, физики применили измерение, которое позволяет получить информацию о состоянии фотонов, не поглощая их. Выбранная пара переводилась в общее запутанное состояние, после чего две небольшие квантовые структуры становились одной более крупной.
Главное отличие нового подхода — предсказуемость результата. Авторы называют операцию детерминированной: при правильной работе оборудования она не зависит от случайного успеха, как многие традиционные способы объединения фотонов.
Кроме того, исследователи могут выбирать, какие именно фотоны соединять. Для этого они изменяют их частоты, направляя нужные пары на соответствующее измерение. Благодаря этому структуру будущей квантовой сети можно программировать и перестраивать.
В эксперименте таким способом удалось связать 13 фотонных кубитов. Проверка показала, что запутанность охватывала всю систему, а не отдельные небольшие группы внутри неё. Это и называется настоящей многочастичной квантовой запутанностью.
Работа пока не означает создание готового квантового компьютера. Для увеличения масштаба системы необходимо повысить точность операций, эффективность создания фотонов и качество детекторов. Авторы также планируют использовать несколько детекторов одновременно, чтобы выполнять больше операций соединения.
В перспективе такой подход может быть полезен для квантовых компьютеров, в которых вычисления выполняются над заранее созданной большой запутанной системой, а также для квантовой связи и исправления ошибок. Главное достижение работы заключается в том, что небольшие квантовые структуры удалось объединять управляемо и без уничтожения фотонов.
Исследование в журнале Nature Physics.