Лазерный мир

Международный коллектив физиков экспериментально реализовал «кудиты» — квантовые устройства, аналогичные кубитам, но запутывающие частицы сразу по нескольким состояниям. В работе описываются опыты с двумя запутанными кудитами, у каждого из которых есть десять состояний, что в результате дает стомерную систему. С подробностями можно ознакомиться на страницах журнала Nature.

On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control

Optical quantum states based on entangled photons are essential for solving questions in fundamental physics and are at the heart of quantum information science1. Specifically, the realization of high-dimensional states (D-level quantum systems, that is, qudits, with D > 2) and their control are necessary for fundamental investigations of quantum mechanics2, for increasing the sensitivity of quantum imaging schemes3, for improving the robustness and key rate of quantum communication protocols4, for enabling a richer variety of quantum simulations5, and for achieving more efficient and error-tolerant quantum computation6. Integrated photonics has recently become a leading platform for the compact, cost-efficient, and stable generation and processing of non-classical optical states7. However, so far, integrated entangled quantum sources have been limited to qubits (D = 2)8, 9, 10, 11. Here we demonstrate on-chip generation of entangled qudit states, where the photons are created in a coherent superposition of multiple high-purity frequency modes. In particular, we confirm the realization of a quantum system with at least one hundred dimensions, formed by two entangled qudits with D = 10. Furthermore, using state-of-the-art, yet off-the-shelf telecommunications components, we introduce a coherent manipulation platform with which to control frequency-entangled states, capable of performing deterministic high-dimensional gate operations. We validate this platform by measuring Bell inequality violations and performing quantum state tomography. Our work enables the generation and processing of high-dimensional quantum states in a single spatial mode.

http://www.nature.com/nature/journal/v546/n7660/full/nature22986.html?foxtrotcallback=true

Квантовые биты, или кубиты, — это основа вычислительных элементов квантовых компьютеров. От классических битов они отличаются тем, что могут находиться не только в состояниях «0» и «1», но и в их суперпозиции, что невозможно в классической ситуации. Чтобы реализовать квантовый компьютер на практике, необходимо одновременно запутать, то есть связать между собой, как минимум десяток кубитов, что чрезвычайно трудно из-за хрупкости квантовых состояний.

Авторы новой работы пошли другим путем: вместо связывания большого количества кубитов они создали устройства, которые сами по себе реализуют более двух состояний. Теоретически, два устройства с 32 состояниями могут заменить квантовый компьютер с десятью кубитами. Ученые разработали фотонный микрочип и изготовили его при помощи технологий создания интегральных схем. Лазер запускает импульсы света в вытравленный в кварцевом стекле кольцеобразный микрорезонатор диаметром 270 микрометров, который, в свою очередь, испускает пары запутанных фотонов. Каждый фотон оказывается в суперпозиции десяти различных длин волн.

«Например, запутанный в нескольких измерениях фотон может быть красным, и желтым, и зеленым, и синим, хотя в данном исследовании используют инфракрасные фотоны», — поясняет один из авторов, Майкл Кьюс из Национального института научных разработок Канады в Квебеке. В реализованной установке длины волн одного из фотонов пары находили в диапазоне от 1534 до 1550 нанометров, а у другого — от 1550 до 1566.

Для передачи фотонов авторы использовали обычное телекоммуникационное оптоволокно. В ходе опыта они передали фотоны на 24,2 километра и продемонстрировали, что в этом случае запутанность сохраняется. Ученые особо отметили это обстоятельство, так как для продвинутых кубитов нужны очень низкие температуры и самые современные магниты. Также авторы отмечают, что с созданной установкой в принципе можно создать кудиты с 96 состояниями, что лучше, чем система из 13 кубитов.

Источник: https://indicator.ru/news/2017/06/29/fiziki-realizovali-stomernuyu-kvantovuyu-zaputannost/