Инженеры добились мультиплексной запутанности в квантовой сети

Новости сегодня - Инженеры добились мультиплексной запутанности в квантовой сети

Закладывая основу для квантовых систем связи будущего, инженеры Калифорнийского технологического института продемонстрировали успешную работу квантовой сети из двух узлов, каждый из которых содержит несколько квантовых битов, или кубитов, — основных строительных блоков квантовых компьютеров, хранящих информацию.

Чтобы добиться этого, исследователи разработали новый протокол для параллельного распределения квантовой информации , эффективно создавая несколько каналов для отправки данных или мультиплексирования. Работа была выполнена путем внедрения атомов иттербия внутрь кристаллов и соединения их с оптическими полостями — наномасштабными структурами, которые захватывают и направляют свет. Эта платформа обладает уникальными свойствами, которые делают ее идеальной для использования нескольких кубитов для параллельной передачи фотонов, несущих квантовую информацию.

«Это первая в истории демонстрация мультиплексирования запутанности в квантовой сети отдельных спиновых кубитов», — говорит Андрей Фараон (бакалавр наук 2004 г.), профессор прикладной физики и электротехники имени Уильяма Л. Валентайна в Калтехе. «Этот метод значительно повышает скорость квантовой связи между узлами, что является крупным скачком в этой области».

Работа описана в статье, опубликованной 26 февраля в журнале Nature . Ведущими авторами статьи являются Андрей Рускуц (Ph.D. ’24), ныне постдокторант Гарвардского университета, и Чун-Джу Ву, аспирант Калтеха, который завершил работу в лаборатории Фараона.

Так же, как Интернет соединяется с классическими компьютерами, которые мы привыкли использовать сегодня, квантовые сети будущего будут соединять квантовые компьютеры, находящиеся в разных физических местах.

Работая с квантовой сферой, исследователи имеют дело с микроскопическими масштабами отдельных атомов и фотонов, основных частиц света. В этом масштабе материя не ведет себя в соответствии с классической физикой; вместо этого в игру вступает квантовая механика.

Одной из самых важных и странных концепций квантовой механики является концепция запутанности, когда два или более объектов, таких как атомы или фотоны, неразрывно связаны независимо от их физического разделения. Эта связь настолько фундаментальна, что одна частица не может быть полностью описана без ссылки на другую. В результате измерение квантового состояния одной также дает информацию о другой, что является ключом к квантовой коммуникации.

В квантовой коммуникации цель состоит в том, чтобы использовать запутанные атомы в качестве кубитов для обмена или телепортации квантовой информации. Ключевой проблемой, которая до сих пор ограничивала скорость коммуникации, является время, необходимое для подготовки кубитов и передачи фотонов.

«Мультиплексирование запутанности преодолевает это узкое место, используя несколько кубитов на процессор или узел. Подготавливая кубиты и одновременно передавая фотоны, можно масштабировать скорость запутывания пропорционально количеству кубитов», — говорит Раскуц.

В новой системе два узла представляют собой наноструктуры, изготовленные из кристаллов ортованадата иттрия (YVO4). Лазеры используются для возбуждения атомов иттербия (Yb3+), редкоземельного металла, внутри этих кристаллов, заставляя каждый атом испускать фотон, который остается с ним запутанным. Фотоны из атомов в двух отдельных узлах затем перемещаются в центральное место, где они обнаруживаются. Этот процесс обнаружения запускает протокол квантовой обработки, который приводит к созданию запутанных состояний между парами атомов иттербия.

Каждый узел имеет много атомов иттербия внутри кристалла YVO4, поэтому доступно много кубитов. Однако каждый из этих атомов имеет немного отличающуюся оптическую частоту, вызванную несовершенствами внутри кристалла.

«Это как палка о двух концах», — говорит Раскуц. С одной стороны, разные частоты позволяют исследователям точно настраивать свои лазеры для нацеливания на определенные атомы. С другой стороны, ученые ранее считали, что соответствующие различия в частотах фотонов сделают невозможным генерацию запутанных состояний кубитов .

«Вот тут-то и пригодится наш протокол. Это инновационный способ создания запутанных состояний атомов, даже если их оптические переходы различны», — говорит Раскуц.

В новом протоколе атомы подвергаются своего рода специализированной квантовой обработке в реальном времени после обнаружения фотонов в центральном месте. Исследователи называют эту обработку «квантовым управлением прямой связи».

«По сути, наш протокол берет эту информацию, полученную из времени прибытия фотона, и применяет квантовую схему: серию логических вентилей, которые адаптированы к двум кубитам. И после того, как мы применили эту схему, у нас остается запутанное состояние», — объясняет Раскуц.

Платформа YVO4, разработанная командой, может вместить много кубитов — в этой работе каждый узел содержал около 20. «Но, возможно, это число можно увеличить как минимум на порядок», — говорит соавтор Ву.

«Уникальные свойства редкоземельных ионов в сочетании с нашим продемонстрированным протоколом прокладывают путь для сетей с сотнями кубитов на узел», — говорит Фараон. «Мы считаем, что эта работа закладывает прочную основу для высокопроизводительных квантовых систем связи на основе редкоземельных ионов».

Новости партнеров: