Запутанность играет решающую роль в квантовой информатике. Его можно использовать в квантовом компьютере, который может выполнять множество математических операций одновременно. Чтобы эффективно использовать квантовый компьютер, многие запутанные частицы должны работать вместе. Это необходимые элементы для вычислений, так называемые кубиты.
Группа физиков на Институт Макса Планка Квантовая оптика в Гархинге впервые продемонстрировала эту задачу с фотонами, испускаемыми одним атомом. Они могли генерировать до 14 запутанных фотонов в оптическом резонаторе, которые можно целенаправленно и очень эффективно преобразовывать в определенные квантово-физические состояния. Новый метод может позволить построить мощные и надежные квантовые компьютеры и обеспечить безопасную передачу данных в будущем.
Это первый раз, когда команда сгенерировала до 14 запутанные фотоны определенным образом и с высокой эффективностью.
Филип Томас, докторант Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге недалеко от Мюнхена, сказал: «Хитрость этого эксперимента заключалась в том, что мы использовали один атом, чтобы испускать фотоны и переплетать их очень специфическим образом. Для этого мы поместили атом рубидия в центр оптического резонатора — эхо-камеры для электромагнитных волн. Состояние атома можно точно определить с помощью лазерного излучения определенной частоты. Используя дополнительный управляющий импульс, исследователи также специально вызвали испускание фотона, связанного с квантовым состоянием атома».
«Мы повторили этот процесс несколько раз и заранее определенным образом. В промежутках атомом манипулировали определенным образом — на техническом жаргоне: вращали. Таким образом можно было создать цепочку из до 14 частиц света, запутанных атомными вращениями и приведенных в нужное состояние».
«Насколько нам известно, 14 взаимосвязанных световых частиц представляют собой наибольшее количество запутанных фотонов, сгенерированных в лаборатории».
«Поскольку цепочка фотонов возникла из одного атома, ее можно было произвести детерминистически. Это означает, что, в принципе, каждый управляющий импульс доставляет фотон с нужными свойствами. До сих пор запутывание фотонов обычно происходило в специальных нелинейных кристаллах. Недостаток: частицы света создаются случайным образом и не поддаются контролю. Это также ограничивает количество частиц, объединенных в коллективное состояние».
Метод, который использовали ученые, позволяет генерировать любое количество запутанных фотонов. Это также эффективно: мы доказали эффективность почти 50 процентов, измерив полученную фотонную цепочку.
Томас — сказал, «Это означает, что почти каждое второе «нажатие кнопки» на атоме рубидия доставляло пригодную для использования легкую частицу — гораздо больше, чем было достигнуто в предыдущих экспериментах».
Режиссер Герхард Ремпе сказал: «В целом наша работа устраняет давнее препятствие на пути к масштабируемым, основанным на измерениях квантовые вычисления".
Исследователи из MPQ хотят избавиться еще от одного препятствия. Например, два атома потребуются в качестве источников фотонов в резонаторе для сложных компьютерных операций. По мнению квантовых физиков, существует двумерное кластерное состояние.
Филип Томас сказал: «Мы уже работаем над решением этой задачи».
Справочник журнала:
- Томас П., Руссио Л., Морин О. и соавт. Эффективная генерация состояний запутанного многофотонного графа из одного атома. природа 608. С. 677–681 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5
