Новый способ генерации запутанных состояний

Ученые ИТМО предложили универсальный способ для генерации квантовых корреляций и запутанных состояний. Он позволяет динамически влиять на параметры системы и задавать желаемые характеристики фотонов, например явления группировки или антигруппировки. Исследование открывает возможности для кодирования запутанных состояний в сверхпроводящих кубитах и обработки квантовой информации в оптических чипах нового поколения.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Для устройств на основе сверхпроводящих кубитов, например чипов нового поколения или квантовых компьютеров, важно создавать запутанные состояния Белла. Эти состояния фундамент для любой обработки квантовой информации, квантовых вычислений и разработки сверхбыстрых процессоров. Современные системы позволяют создавать установки по генерации источников нескольких фотонов, но их параметры определяются сразу при производстве конструкции, то есть управлять характеристиками системы невозможно. Это ограничивает исследовательские и технические возможности.

Ученые Нового физтеха ИТМО нашли решение этой проблемы. Они предложили теоретический протокол для динамической генерации устойчивых квантовых корреляций и запутанных состояний Белла в излучении частотной гребенки от массива сверхпроводящих кубитов. Метод универсален, учитывает временную эволюцию кубитов и может использоваться для управления корреляциями фотонов в динамически модулированных квантовых системах.

Исследователи провели аналитические вычисления корреляционных функций при малых амплитудах тряски и расчет энтропии запутанности фотонных состояний в зависимости от параметров «тряски» системы, подтвердили соответствующие выводы численными расчетами, расширив применимость метод на диапазон больших амплитуд.

Ученые показали, что взаимными корреляциями между сигналами в волноводе можно управлять, а также предложили эффективный способ управления. Результаты исследования предполагают возможность контролировать корреляции сигналов при одноканальной передаче квантовой оптической информации. Это открывает большие возможности для будущих протоколов обработки квантовой информации устройств нового поколения (например, вычислительных устройств).

Авторы будут развивать исследование, в их планах экспериментальное подтверждение гипотезы, а также изменение параметров исследуемой системы (ученые хотят ввести в нее механические степени свободы).

Работа поддержана грантами РНФ, а также программой Минобрнауки РФ «Приоритет-2030».

Денис Ильин, автор исследования, студент магистратуры Нового физтеха ИТМО:

— Зачем иметь возможность генерации квантовых корреляций и запутанных состояний?

— Многие протоколы квантового шифрования данных основаны на передаче запутанных фотонных состояний. Для устойчивой и эффективной работы таких систем необходима возможность детерминированной генерации таких состояний. Кроме того, в последние годы была сформулирована концепция «квантового интернета»: в рамках этой концепции множество локальных квантовых компьютеров будут объединены в единую сеть — обмен данными в такой сети должен будет осуществляться посредством передачи запутанных фотонных состояний.

— Как именно работает новый теоретический протокол?

— Предлагаемая система представляет собой цепочку двухуровневых систем, интегрированных на волноводе (шине). В качестве физической реализации двухуровневой системы могут выступать как холодные атомы в оптических ловушках, так и сверхпроводниковые кубиты, или полупроводниковые квантовые точки. Кроме того, резонансная частота каждого кубита (двухуровневой системы) независимо (контролируемо меняется во времени). Система возбуждается узкополосным лазерным сигналом. Мы показали, что, управляя амплитудой и фазой модуляции кубитов, можно формировать широкий класс запутанных фотонных состояний в рассеянном сигнале.

— Как проходило исследование? Что оно показало?

— Изначально исследование имело чисто фундаментальный характер. Нам было интересно изучить, что происходит с электромагнитной волной, рассеивающейся на модулированных массивах двухуровневых систем. Предварительные результаты показали, что модуляция позволяет получать широкий класс коррелированных фотонных состояний в рассеянном сигнале, и мы решили разработать соответствующий протокол, однозначно связывающий амплитуды и фазы модуляций частот кубитов с характеристиками рассеянного сигнала.

— Как, на ваш взгляд, эта технология будет развиваться в дальнейшем?

— Много важных вопросов остались открытыми. В частности, предстоит исследовать, какое влияние на характеристики конечного квантового состояния оказывают неизбежные аппаратные шумы, возникающие при модуляции частот двухуровневых систем. Кроме того, мы хотим попробовать усовершенствовать протокол так, чтобы он позволял генерировать более широкий класс коррелированных состояний, представляющих интерес для квантовой информатики.