Благодаря новой методике запутывания фотонов, разработанной австрийскими учеными, теперь возможно объединение сразу трех фотонов. Это позволит повысить эффективность передачи данных в квантовой системе и, как следствие, продвинуться в разработке квантовой телепортации.
Для реализации перспективных технологий, таких как квантовые компьютеры и квантовая криптография, требуется практическое исследование сложных квантовых систем. Специалисты из Венского университета и Австрийской академии наук добились значительных успехов в этой области. Они стремились использовать более сложные квантовые системы, выходящие за рамки двумерной запутанности кубитов, для повышения объема информации, передаваемой с использованием того же количества частиц. Разработанные подходы и инструменты потенциально смогут содействовать телепортации сложных квантовых систем. Работа об этом опубликована в журнале Nature Photonics.
Как и биты в обычных компьютерах, кубиты являются фундаментальными единицами информации в квантовых системах. Крупные корпорации, такие как Google и IBM, конкурируют с исследовательскими центрами по всему миру, стремясь увеличить число взаимосвязанных кубитов и создать рабочий квантовый компьютер. Тем не менее, ученые из Венского университета и Австрийской академии наук выбрала другой путь для увеличения емкости информации в сложных квантовых системах. Их идея проста: вместо того чтобы увеличивать количество используемых частиц, повышается сложность каждой системы.
«Мануэль Эрхард, ведущий автор исследования, отмечает, что уникальность эксперимента заключается в использовании запутанных трех фотонов, в то время как ранее применялись только два.
Для достижения поставленной цели, ученые из Вены применили квантовые системы, обладающие более чем двумя возможными состояниями, а именно – угловым моментом отдельных частиц света. Эти фотоны, в отличие от кубитов, обладают большей информативной нагрузкой. Однако создание запутанных состояний для них представляло собой серьезную концептуальную задачу. Решение этой проблемы стало возможным благодаря инновационному подходу – компьютерному алгоритму, который самостоятельно выявлял пути для практической реализации эксперимента.
Исследователи разработали компьютерный алгоритм под названием Melvin, который позволил им обнаружить экспериментальную установку, способную воспроизвести данный вид запутывания. Изначально процесс был затруднен, однако в целом он оказался работоспособным. После внесения некоторых упрощений в физическую модель, она все еще сталкивались с серьезными технологическими препятствиями. Команда смогла разрешить проблему при помощи уникальной лазерной технологии и специально разработанного мультипорта.
«Эрхард отмечает, что мультипорт является ключевым элементом эксперимента, поскольку он позволяет создать запутанность трех фотонов сразу в трех измерениях.
Уникальное свойство трехфотонного запутывания в трехмерном пространстве открывает возможности для экспериментального изучения принципиальных вопросов, связанных с поведением в квантовых системах. Кроме того, результаты исследования могут существенно повлиять на развитие перспективных технологий, таких как квантовая телепортация.
«Считаю, что разработанные нами методы и технологии дают возможность телепортировать большую часть общей квантовой информации одного фотона, что может быть важно для сетей квантовой коммуникации», — объясняет исследователь Антон Зейлингер.