Вехи на пути к полезным квантовым технологиям

Крошечные частицы взаимосвязаны, несмотря на то, что иногда они находятся на расстоянии тысяч километров друг от друга — Альберт Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». То, что было бы необъяснимо законами классической физики, является фундаментальной частью квантовой физики. Подобная запутанность может возникать между несколькими квантовыми частицами, а это означает, что определенные свойства частиц тесно связаны друг с другом.

Запутанные системы, содержащие несколько квантовых частиц, предлагают значительные преимущества при реализации квантовых алгоритмов, которые потенциально могут использоваться в коммуникациях, безопасности данных или квантовых вычислениях. Исследователи из Падерборнского университета работают с коллегами из Ульмского университета над созданием первой программируемой оптической квантовой памяти. Исследование было опубликовано как «Предложение редактора» в Письма о физическом обзоре журнал.

Запутанные частицы света

Группа Integrated Quantum Optics под руководством профессора Кристин Силберхорн с факультета физики и Института фотонных квантовых систем (PhoQS) Падерборнского университета использует крошечные световые частицы или фотоны в качестве квантовых систем. Исследователи стремятся запутать как можно больше в крупных государствах. Работая вместе с исследователями из Института теоретической физики Ульмского университета, они представили новый подход.

Раньше попытки запутать более двух частиц приводили только к очень неэффективной генерации запутывания. В некоторых случаях, если исследователи хотели связать две частицы с другими, это требовало длительного ожидания, поскольку взаимосвязи, которые способствуют этой запутанности, работают только с ограниченной вероятностью, а не по нажатию кнопки. Это означало, что фотоны больше не были частью эксперимента, как только прибыла следующая подходящая частица, поскольку сохранение состояний кубитов представляет собой серьезную экспериментальную проблему.

Постепенное достижение большей запутанности

«Теперь мы разработали программируемую оптическую буферную квантовую память, которая может динамически переключаться между различными режимами — режимом хранения, интерференционным режимом и окончательным выпуском», — объясняет Силберхорн.

В экспериментальной установке небольшое квантовое состояние может храниться до тех пор, пока не будет сгенерировано другое состояние, а затем они могут быть запутаны. Это позволяет большому запутанному квантовому состоянию расти частица за частицей. Команда Зильберхорна уже использовала этот метод для запутывания шести частиц, что сделало его намного более эффективным, чем любые предыдущие эксперименты. Для сравнения, крупнейшее из когда-либо запутанных пар фотонов, выполненное китайскими исследователями, состояло из двенадцати отдельных частиц. Однако создание этого состояния заняло значительно больше времени, на порядки.

Квантовый физик объясняет: «Наша система позволяет постепенно создавать запутанные состояния увеличивающегося размера, что намного надежнее, быстрее и эффективнее, чем любой предыдущий метод. Для нас это представляет собой веху, которая ставит нас на расстояние удара практическое применение больших запутанных состояний для полезных квантовых технологий». Новый подход можно комбинировать со всеми распространенными источниками пар фотонов, а это означает, что другие ученые также смогут использовать этот метод.