Заплутаність відіграє вирішальну роль у квантовій інформаційній науці. Його можна використовувати в квантовому комп’ютері, який може виконувати численні математичні операції одночасно. Щоб ефективно використовувати квантовий комп’ютер, багато заплутаних частинок повинні працювати разом. Вони є основними елементами для обчислень, так званими кубітами.
Команда фізиків на Інститут Макса Планка Квантової оптики в Гархінге вперше продемонстрував це завдання з фотонами, випромінюваними одним атомом. Вони можуть генерувати до 14 заплутаних фотонів в оптичному резонаторі, які можуть бути підготовлені до конкретних квантових фізичних станів цілеспрямованим і дуже ефективним способом. Новий метод може дозволити будувати потужні та надійні квантові комп’ютери та забезпечувати безпечну передачу даних у майбутньому.
Це перший раз, коли команда згенерувала до 14 заплутані фотони певним чином і з високою ефективністю.
Філіп Томас, докторант Інституту квантової оптики Макса Планка (MPQ) у Гархінге поблизу Мюнхена, сказав: «Фокус цього експерименту полягав у тому, що ми використовували один атом, щоб випромінювати фотони та переплітати їх дуже специфічним чином. Для цього ми помістили атом рубідію в центр оптичного резонатора – ехокамери для електромагнітних хвиль. Стан атома можна було точно визначити за допомогою лазерного світла певної частоти. Використовуючи додатковий керуючий імпульс, дослідники також спеціально викликали випромінювання фотона, пов’язаного з квантовим станом атома».
«Ми повторювали цей процес кілька разів і в попередньо визначеному порядку. Між цим атомом певним чином маніпулювали – на технічному жаргоні: обертали. Таким чином вдалося створити ланцюжок із до 14 легких частинок, заплутаних обертанням атомів і приведених у потрібний стан».
«Наскільки нам відомо, 14 взаємопов’язаних легких частинок — це найбільша кількість заплутаних фотонів, згенерованих у лабораторії».
«Оскільки ланцюжок фотонів виник з одного атома, його можна було створити детермінованим способом. Це означає, що, в принципі, кожен керуючий імпульс доставляє фотон із бажаними властивостями. Досі сплутування фотонів зазвичай відбувалося в спеціальних, нелінійних кристалах. Недолік: частинки світла створюються випадковим чином і неконтрольованим способом. Це також обмежує кількість частинок, об’єднаних у колективний стан».
Метод, який використовували вчені, дозволяє генерувати будь-яку кількість заплутаних фотонів. Він також ефективний: ми довели ефективність майже на 50 відсотків, вимірявши ланцюжок фотонів, що утворюється.
Томас сказав, «Це означає: майже кожне друге «натискання кнопки» на атомі рубідію доставляло придатну для використання частинку світла — набагато більше, ніж було досягнуто в попередніх експериментах».
Директор Герхард Ремпе сказав: «Загалом, наша робота усуває давню перешкоду на шляху до масштабованих, заснованих на вимірюванні квантові обчислення».
Дослідники з MPQ хочуть позбутися ще однієї перешкоди. Наприклад, два атоми будуть потрібні як джерела фотонів у резонаторі для складних комп’ютерних операцій. На думку квантових фізиків, існує двовимірний кластерний стан.
Філіп Томас сказав, «Ми вже працюємо над вирішенням цього завдання».
Довідка з журналу:
- Томас П., Рускіо Л., Морін О. та ін. Ефективна генерація заплутаних багатофотонних станів графа з одного атома. природа 608, 677–681 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5
