Китайські фізики продемонстрували, як об’єднати 13 квантових бітів у спільний заплутаний стан, не знищуючи фотони під час з’єднання. Цей підхід може допомогти створювати масштабованіші квантові комп’ютери та мережі.
Головна проблема квантових обчислень — не лише створити кубіти, а й змусити їх надійно працювати разом. Команда дослідників із Китаю запропонувала спосіб з’єднувати невеликі групи заплутаних мікрохвильових фотонів у більші, програмовані квантові структури.
Як з’єднати фотони й не втратити їх
У квантових системах частинки можна пов’язати через явище заплутаності. Тоді їхній спільний стан неможливо повністю описати, розглядаючи кожну частинку окремо.
Такі зв’язки можна організовувати в структури, відомі як графові квантові стани. Вони можуть слугувати ресурсом для квантових обчислень і передавання інформації.
Зазвичай об’єднання менших заплутаних груп супроводжується ризиком невдалих спроб або втрати частинок. Китайські дослідники використали інший підхід — квантове вимірювання без руйнування (quantum nondemolition measurement).
Для цього вони застосували надпровідні електричні кола. Спеціальний детектор дає змогу отримати інформацію про квантовий стан, зберігаючи самі фотони. Водночас вимірювання змінює їхній спільний стан так, щоб невеликі заплутані структури можна було з’єднати.
Заплутаність охопила всі 13 кубітів
Спочатку команда створила менші групи заплутаних мікрохвильових фотонів. Квантову інформацію кодували в різних часових інтервалах, а потім за допомогою спеціального детектора з’єднували вибрані пари.
Змінюючи частоти фотонів, дослідники могли керувати тим, які саме пари проходили процедуру вимірювання. Це зробило процес програмованим: зв’язки між меншими групами можна було перебудовувати.
У результаті вчені продемонстрували справжню багаточастинкову квантову заплутаність між 13 фотонними кубітами. Це означає, що спільний квантовий стан охоплював усю групу, а не лише окремі пари чи невеликі підгрупи. Результати дослідження опублікували в журналі Nature Physics.
Чи означає це появу потужнішого квантового комп’ютера?
Поки що йдеться не про готовий квантовий комп’ютер нового покоління, а про технологічний крок до його створення.
Великі заплутані фотонні структури можуть стати основою для квантових мереж, обчислень на основі вимірювань і методів виправлення квантових помилок. Однак для практичного використання потрібно підвищити точність пристроїв, ефективність генерації фотонів і продуктивність детекторів.
Наступний етап — створення систем із кількома детекторами, які зможуть виконувати більше операцій з’єднання та формувати складніші квантові мережі.
Головний результат дослідження — спосіб об’єднувати квантові ресурси без необхідності знищувати фотони під час з’єднання. Якщо технологію вдасться масштабувати зі збереженням точності, вона може допомогти подолати одну з важливих перешкод на шляху до квантових обчислень і комунікацій.