Ученые МГУ расширили возможности линейно-оптической генерации перепутанных состояний фотонов

Ученые Центра квантовых технологий МГУ обнаружили наиболее эффективные способы генерации произвольных двухкубитных перепутанных состояний. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

Такие состояния являются основой для построения квантовых оптических сетей и создания оптических квантовых компьютеров. Ученые обнаружили, что ранее известные методы генерации таких состояний были далеки от возможного предела эффективности и в результате исследования были предложены новые методы получения таких состояний. Они необходимы для создания оптических квантовых компьютеров и для построения квантовых оптических сетей. 

Исследования прошли в рамках Дорожной карты РФ по квантовым вычислениям, Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» и поддержаны фондом «БАЗИС». 

«До недавнего времени исследователи интересовались только максимально перепутанными состояниями, так как известны рецепты построения квантовых компьютеров на их основе. В нашей работе мы рассмотрели генерацию всех возможных двухкубитных состояний и исследовали возможность создания простых оптических схем, которые бы генерировали любое состояние из этого класса. В частности, мы интересовались пределами эффективностей, с которыми можно генерировать двухкубитные состояния с помощью интерференции фотонов в интерферометрах и их измерений — это так называемая линейно-оптическая генерация оптических состояний», — рассказал младший научный сотрудник физического факультета МГУ и Российского квантового центра Сурен Флджян. 

Работа является частью большого исследования по созданию квантовых вычислителей с использованием фотонов и интерферометров, которые ведутся в Центре квантовых технологий МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с Российским квантовым центром в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. Интерес к генерации некоторых малокубитных перепутанных состояний, например, двух- и трехкубитных, обусловлен использованием этих состояний в наиболее совершенной на текущий момент архитектуре оптических квантовых вычислений. В этой архитектуре большое количество таких малокубитных перепутанных состояний используется в качестве ресурса. Как следствие, возможность создания оптического компьютера и объемы физических ресурсов, необходимых для этого, зависят от эффективности, с которой можно получать малокубитные перепутанные состояния.

В результате ученые нашли пределы максимальной вероятности, с которой могут генерироваться двухкубитные состояния при интерференции одиночных фотонов в многоканальных интерферометрах. Как выяснилось, вероятности успешной генерации гораздо выше, чем у известных до этого линейно-оптических схем. Для практического применения специалисты обнаружили соответствующие компактные оптические схемы, эффективности которых в некоторых случаях достигают найденных пределов линейно-оптической генерации. Это означает, что для построения квантового компьютера может понадобиться меньше физических ресурсов – источников фотонов, интерферометров и детекторов, что приближает создание полноценного практически значимого квантового компьютера.

«Результаты нашей работы могут найти применения в более совершенных архитектурах оптических квантовых компьютеров и в квантовых сетях. Сейчас мы ведем исследовательскую работу по применению частично перепутанных состояний в квантовых вычислениях. Также мы работаем с экспериментаторами из нашей лаборатории на физическом факультете МГУ для реализации предложенных схем в интегрально-оптическом исполнении с использованием технологии фемтосекундной лазерной печати, которую наша лаборатория развивает на протяжении нескольких лет, и с использованием источников одиночных фотонов, создаваемых нашими коллегами в Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе. В скором времени планируем сделать эксперимент по генерации перепутанных состояний. В целом, мы надеемся, что результаты нашей работы будут применяться в реальных оптических квантовых вычислителях, способных решать практически значимые задачи», — отметил соавтор работы, старший научный сотрудник Центра квантовых технологий МГУ и Южно-Уральского государственного университета Михаил Сайгин.