Физики добились прорыва: три фотона меняют правила игры в квантовых компьютерах

Новая схема извлекает больше информации из каждого измерения, требует на 20% меньше повторений, чем стандартный эксперимент и продолжает работать при потере фотонов

Исследователи из Университета Твенте (Нидерланды) усовершенствовали традиционный метод проверки схожести отдельных фотонов. Вместо стандартной схемы, в которой одновременно сравниваются две частицы, они организовали интерференцию трех фотонов. Это позволяет извлекать больше данных из каждого измерения и почти на 20% сокращает количество повторений, необходимых для достижения аналогичной точности. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Для фотонных квантовых технологий критически важно, чтобы используемые фотоны были как можно более идентичными. Однако на практике они не могут быть совершенно одинаковыми, поэтому перед выполнением вычислений необходимо проверить их степень совпадения. С 1987 года для этой цели активно применяется эксперимент Хонга — У — Мандела (англ. Hong-Ou-Mandel effect): два фотона направляются на светоделитель — оптический элемент, который разделяет поток света. Если фотоны неразличимы по своим свойствам, они из-за квантовой интерференции покидают светоделитель одновременно.

Недостаток данного метода становится очевидным при увеличении масштабов фотонных квантовых систем. Старый тест сравнивает фотоны парами. Для десяти фотонов уже необходимо проверить 45 различных пар, и каждое сравнение требует тысяч повторений: квантовый эксперимент каждый раз предоставляет только один конкретный результат, и только после накопления значительного количества измерений можно определить статистическое распределение исходов. Именно оно показывает, насколько хорошо совпадают фотоны.

Ученые из Твенте добавили ко первому светоделителю второй, что позволяет подключать к взаимодействию сразу три фотона. В результате одна экспериментальная конфигурация позволяет извлекать информацию о нескольких попарных совпадениях одновременно. Это использует квантовую интерференцию, возникающую при совместном прохождении фотонов через оптическую систему, и сокращает количество повторений, необходимых для достижения заданной точности, примерно на 20%.

Чтобы подтвердить, что новая схема действительно извлекает максимальное количество информации, физики применили матрицу Фишера — математический инструмент, который показывает, сколько информации конкретное измерение содержит о неизвестном параметре. Для трех фотонов расчеты подтвердили оптимальность предложенной конфигурации: при заданных условиях невозможно получить больше информации с помощью другого измерения.

При этом преимущество не исчезает из-за реальных потерь фотонов. Это особенно важно для фотонных систем: вероятность потери частицы возрастает с увеличением числа одновременно используемых фотонов. Однако в новой схеме потеря одного из трех фотонов не приводит к полной утрате измерения. Оставшиеся два проходят через часть установки и обеспечивают стандартный двухфотонный тест Хонга — У — Мандела. Таким образом, одна и та же схема одновременно обеспечивает улучшенное трехфотонное измерение и традиционное двухфотонное.

Эксперимент подтвердил преимущества новой методики даже в сравнении с идеальным двухфотонным тестом, в котором отсутствуют шумы и потери. Более того, согласно расчетам авторов, преимущества сохраняются при любой ненулевой эффективности передачи фотонов через установку, что делает метод пригодным для реальных экспериментальных систем. Схему можно расширить на 4 или 5 фотонов, хотя пока не показано, что она останется оптимальной для такого количества частиц.

В настоящее время метод в первую очередь предназначен для лабораторий квантовой оптики, где требуется регулярная проверка качества источников фотонов. В будущем такую процедуру можно использовать как этап калибровки или встроенный диагностический модуль в масштабных фотонных квантовых компьютерах, где количество одновременно используемых фотонов может достигать сотен.