Квантовые компьютеры становятся многомерными

Исследователи показали, что реализация нового типа квантового логического элемента позволяет выполнять квантовые вычисления с парами фотонов, каждый из которых находится в четырех различных квантовых состояниях. По мнению ученых, это важный шаг в развитии оптических квантовых компьютеров, открывающий новые возможности.

Ученые разработали процедуру, которая работает с двумя такими фотонами: оба могут находиться в произвольной суперпозиции различных волновых форм. С помощью сложных манипуляций два изначально независимых фотона можно привести в совместное состояние — так называемое «запутанное» состояние. Точно так же новый квантовый вентиль можно использовать для контролируемого разделения двух запутанных фотонов, чтобы снова сделать их состояния независимыми друг от друга.

До сих пор эксперименты с квантовыми вычислениями на основе фотонов часто проводились с использованием поляризации фотонов — свойства, которое может быть измерено двумя разными способами. С точки зрения квантовой физики, фотон может находиться в суперпозиции этих двух состояний, подобно тому, как человек, идущий на северо-восток, может двигаться одновременно на север и на восток.

Основным препятствием для создания квантовых вентилей между двумя отдельными фотонами является ограничение прямого взаимодействия между фотонами в линейных средах. Исследователи решили эту проблему, представив протокол реализации запутанного вентиля — управляемого вентиля с фазовым сдвигом — для двух фотонных кубитов произвольного измерения.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Photonics, этот протокол демонстрируется экспериментально на примере реализации четырехмерного управляемого вентиля с фазовым сдвигом для кубитов, для разложения которого потребовалось бы не менее 13 двухкубитных запутанных вентилей.«Наши фотонные кубиты кодируются с помощью орбитального углового момента, и мы разработали новую активную технологию высокоточной фазовой синхронизации для создания многомерного светоделителя с орбитальным угловым моментом, который повышает стабильность управляемого инвертора фазы, обеспечивая точность процесса в диапазоне [0,71 ± 0,01, 0,85 ± 0,01]», — сообщили исследователи.

По мнению исследователей, эта работа представляет собой важный шаг в развитии многомерной оптической квантовой обработки информации и может найти применение не только в оптических системах.