Учёные показали, что использование запутанного света позволяет значительно уменьшить число измерений, требуемых для обучения или анализа квантовой системы, подверженной шумам. В рамках эксперимента разработанное фотонное устройство проанализировало работу фотонной квантовой системы всего за 15 минут – задача, которая, по мнению исследователей, с применением классических методов заняла бы приблизительно 20 миллионов лет.
За последнее время технологии квантовых вычислений совершили заметный прогресс. Благодаря этим успехам стало ясно, что они способны, как и планировалось, превосходить классические системы при решении определенных задач – это явление получило название «квантовое превосходство». Тем не менее, эти демонстрации в основном касались ускорения вычислительных процессов. Иными словами, настоящее квантовое превосходство, которое было бы применимо ко всем классическим системам, пока остается сложной целью.
Достижение квантового превосходства затруднено в тех областях, которые связаны с описанием или обучением физической системы – задача, часто возникающая в научных исследованиях и инженерной практике. Как правило, для этой цели проводят серию измерений, позволяющих оценить уровень шума в системе.
Для квантовых устройств данный процесс значительно усложняется, главным образом из-за того, что шумы являются неотъемлемой частью самих измерений. В то же время, объем измерений, требуемый для анализа сложных систем, существенно увеличивается пропорционально размеру квантовой системы. Это делает традиционные методы характеризации неэффективными или вовсе невозможными.
Специалисты из Технического университета Дании (DTU) представили инновационный подход к определению параметров квантовых систем, основанный на применении запутанного света. « Разработанный нами процесс позволяет управлять системой, и был задан прямой вопрос: приводит ли снижение сложности к уменьшению числа параметров, требуемых для её изучения? Ответ оказался положительным и выраженным », — уточнили в пресс-релизе Ульрик Лунд Андерсен, профессор факультета физики DTU и один из авторов статьи, опубликованной недавно в журнале исследования.
Экономия измерений благодаря методу
В квантовой механике запутанность играет важную роль: фотоны могут быть настолько сильно связаны, что определение состояния одного из них мгновенно предоставляет информацию о состоянии другого, вне зависимости от расстояния между ними. Для проведения измерений, требуемых для описания квантовой системы, датские ученые использовали этот феномен.
Для реализации этой задачи команда применила оптические компоненты, которые обычно используются в телекоммуникационных системах. Более конкретно, система включает оптический канал, в котором несколько световых импульсов характеризуются общей структурой шумов. После этого два световых пучка были разделены и сжаты, что привело к их запутыванию. Один из них предназначен для зондирования системы, а другой выступает в роли эталона. Одновременное измерение позволяет сравнить эти параметры, что минимизирует погрешности измерений и дает возможность получить больше данных, чем при использовании традиционных методов.
Новый метод измерений позволил ученым изучить поведение квантовой системы всего за 15 минут. Ранее, при использовании классических подходов, это заняло бы около 20 миллионов лет. Андерсен отметил, что, « это первое доказанное квантовое превосходство для фотонной системы ». По оценкам специалистов, измерительная система способна функционировать даже при обычных для аналогичных устройств потерях сигнала. Это указывает на то, что повышение точности измерений обусловлено особенностями применяемого метода, а не характеристиками используемого оборудования.
По мнению исследователей, представленный метод не был ориентирован на конкретную квантовую систему. Вместе с тем, полученные результаты подтверждают достижение цели, которую давно стремились реализовать в сфере квантовых технологий. « Нам особенно приятно осознавать, что мы, наконец, выявили квантовомеханическую систему, обладающую возможностью совершать действия, недоступные классическим системам », — подытожил Йонас Ску Нергор-Нильсен, один из авторов работы и доцент кафедры физики Технического университета Дании.