Команда ученых из физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Российского квантового центра представила теоретическую разработку, направленную на существенное уменьшение потребления фотонных ресурсов при создании крупных запутанных квантовых состояний. Сокращение таких затрат играет важную роль в развитии масштабируемых фотонных квантовых вычислений. О результатах этой работы сообщается в журнале Q1. Physical Review Applied.

Линейно-оптические системы рассматриваются как одна из многообещающих платформ для осуществления квантовых вычислений. Для реализации масштабируемых вычислительных схем требуется формирование многочастичных запутанных состояний, которые впоследствии используются в качестве основы для квантовых операций. Квантовая запутанность представляет собой фундаментальное явление, характеризующееся взаимосвязанностью состояний нескольких частиц таким образом, что описание системы как совокупности отдельных частей становится невозможным.

Для генерации крупных запутанных состояний в линейно-оптических системах применяются операции слияния, позволяющие объединять два небольших запутанных состояния в более крупные. Однако без использования дополнительных фотонных ресурсов вероятность успешного выполнения таких операций ограничена значением 50%. Существующие подходы к повышению этой вероятности для слияний типа I* предполагают использование вспомогательных запутанных состояний, подготовка которых сама по себе является вероятностным процессом и требует дополнительного количества фотонов и оптических компонентов.

Специалисты из физфака МГУ и РКЦ предложили иной подход. Вместо использования сложных запутанных состояний они применили дополнительные одиночные фотоны. В разработанной схеме четыре вспомогательных фотона вводятся в интерферометр совместно с основными кубитами, что приводит к увеличению вероятности успешного слияния до 62,5%.

В ходе исследования авторы проанализировали принципы действия линейно-оптической схемы и провели классификацию потенциальных результатов фотодетектирования. Было установлено, что некоторые исходы, которые традиционно рассматривались как неблагоприятные, могут быть преобразованы в успешные при помощи дополнительной процедуры очистки данных. Данный подход позволяет увеличить вероятность успешного объединения до 75%.

«Предлагаемая нами схема дает возможность значительно уменьшить потребность в фотонных ресурсах при создании крупных квантовых состояний. К примеру, для генерации 24-кубитного запутанного состояния, необходимого для квантовых вычислений по модели FBQC**, наш метод позволяет снизить требуемое количество одиночных фотонов более чем в восемь раз», — отметил аспирант физического факультета и младший научный сотрудник ЦКТ МГУ. Александр Мелкозеров.

Проведенные расчеты демонстрируют, что повышение вероятности успешного завершения отдельной операции объединения и применение более простых вспомогательных ресурсов могут обеспечить значительный прогресс при создании больших фотонных состояний, где подобные операции выполняются многократно. Таким образом, разработанное решение сближает теоретические основы фотонных квантовых вычислений с требованиями, необходимыми для практической реализации масштабных квантовых алгоритмов.

Исследование было профинансировано госкорпорацией «Росатом» в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. А. Мелкозеров является стипендиатом программы поддержки теоретической физики и математики «БАЗИС».

*Операция слияния первого рода представляет собой вероятностную процедуру, используемую в фотонных квантовых вычислениях, которая позволяет объединить два перепутанных квантовых состояния. В процессе участвуют два фотона; после их взаимодействия один из них подвергается измерению, а второй становится компонентом результирующего объединенного состояния.

**FBQC (фотонные квантовые вычисления на основе слияний) — это архитектура квантовых вычислений, основанная на объединении предварительно подготовленных перепутанных состояний посредством совместных измерений, которые именуются операциями слияния. Данный подход демонстрирует высокую применимость для реализации в линейно-оптических системах.

Информация предоставлена пресс-службой МГУ