Квантовые компьютеры переходят к многомерному анализу
Совместно с командой из Китая группа исследователей из Венского технического университета расширяет возможности квантовых компьютеров: вместо комбинаций нулей и единиц новая технология использует одновременно четыре различных состояния.
1/2 изображений1 из 2 изображений или видео
Маркус Хубер (слева) и Николай Фриис
Сотрудничество Венского технического университета с исследовательскими группами в Китае представляет собой важнейший шаг к созданию нового типа квантовых компьютеров: реализация нового типа квантового логического вентиля позволяет проводить квантовые вычисления над парами фотонов, каждый из которых находится в четырех различных квантовых состояниях или их комбинациях – важная веха для оптических квантовых компьютеров, открывающая новые возможности. Результаты исследования опубликованы в научном журнале «Nature Photonics».
Кудиты вместо кубитов.
Основная идея квантовых компьютеров проста: в то время как классический компьютер работает только со значениями «0» и «1», квантовая физика допускает произвольные комбинации этих состояний. В определенном смысле квантовый бит («кубит») может одновременно находиться в состояниях 0 и 1. Это позволяет разрабатывать алгоритмы, способные решать некоторые задачи гораздо быстрее, чем сопоставимый классический компьютер.
Однако такие суперпозиции в принципе могут включать более двух состояний. В зависимости от того, какую степень свободы рассматривать, квантовая система, такая как фотон, может иметь не просто две разные конфигурации — два разных результата измерения потенциала, — а множество. В этом случае систему называют «кудитом», а не «кубитом». Для квантовых вычислений это может принести значительные преимущества, но в конечном итоге требуется механизм, с помощью которого два таких кудита могут взаимодействовать контролируемым образом. Исследовательская группа в Венском техническом университете смогла теоретически разработать схему для совместной обработки двух кудитов, закодированных в двух фотонах, а группа в Китае успешно реализовала эту схему в своей лаборатории, создав новый тип квантового вентиля с потенциально революционными применениями.
Квантовая физика в четырех измерениях
До настоящего времени эксперименты по квантовым вычислениям с использованием фотонов часто проводились на основе поляризации фотонов — свойства, при котором возможны два различных результата измерения. С точки зрения квантовой физики, фотон может находиться в суперпозиции этих двух вариантов, подобно одновременному движению на север и восток при движении на северо-восток.
«Мы используем фотоны принципиально иным способом», — объясняет Николай Фриис из Института атомной и субатомной физики Венского технического университета. «Нас интересует не поляризация, а пространственная форма волны фотонов, которые могут находиться в бесконечном множестве различных состояний, соответствующих различным орбитальным угловым моментам».
Команда, возглавляемая Николаем Фриисом, разработала процедуру, работающую с двумя такими фотонами: оба могут находиться в произвольной суперпозиции различных волновых форм. Благодаря сложным манипуляциям, два изначально независимых фотона могут быть приведены в совместное состояние — так называемое «запутанное» состояние. Аналогично, новый квантовый вентиль может быть использован для контролируемого разделения двух запутанных фотонов, чтобы снова сделать состояния фотонов независимыми друг от друга.
Именно такая операция — запутывающий квантовый вентиль — необходима для создания квантовых компьютеров, позволяющих проводить вычисления с множеством входных данных. Для первого эксперимента исследователи решили работать с четырьмя различными состояниями. «Это как если бы, помимо направлений Север-Юг и Восток-Запад, у нас были бы доступ к двум дополнительным осям», — говорит Фриис. «В некотором смысле мы движемся в четырехмерном пространстве, и мы можем работать с произвольными комбинациями таких состояний».
Выясняется, сработало ли это.
Для реализации их теоретических идей потребовался не только новый протокол, но и значительное улучшение уровня технологий и точности экспериментов — область, в которой команда Хуэй-Тянь Вана в Китае добилась замечательных успехов.
«Нам удалось создать квантовый логический вентиль, работающий с двумя фотонами, которые можно подготовить в комбинациях из четырех различных состояний», — говорит Николай Фриис. «Мы можем запутывать фотоны — и делать это с помощью опознавательных знаков, то есть мы можем определить, когда протокол сработал. А если нет, мы можем повторить процедуру. Это то, что необходимо на практике».
Ожидается, что новый подход сделает квантовые информационные технологии более эффективными и стабильными в различных областях. «Нам нужно меньше частиц для переноса того же объема квантовой информации», — говорит Маркус Хубер (также из Института атомной и субатомной физики Венского технического университета). «Это имеет множество преимуществ, в том числе и с точки зрения надежности квантовых операций». Таким образом, новое исследование — в буквальном смысле — открывает новые горизонты для квантовых технологий.
Оригинальная публикация
ZF Liu et al, Heralded high-dimensional photon-photon quantum gate, Nature Photonics (2026).
Машинный перевод текста
Резюме коротко
Физики из TU Wien и их коллеги из Китая продемонстрировали первый запутывающий вентиль между двумя четырёхмерными фотонными кудитами, результаты опубликованы в Nature Photonics.
Вентиль использует орбитальный угловой момент фотонов, а не поляризацию, заменяя одной операцией то, что потребовало бы как минимум 13 обычных двухкубитных вентилей.
По словам исследователей, «объявляющая» конструкция сигнализирует об успешности запутывания, что позволяет повторять попытки — практическое требование для масштабирования оптических квантовых компьютеров.
Комментариев нет:
Отправить комментарий