Метод запутывания кубитов с высокой точностью: будущее квантовой техники

5:57

В небольшом лабораторном помещении в Пекине исследователи сделали важный шаг к созданию более эффективных квантовых компьютеров. Используя всего одну лазерную систему, они сумели запутать два разных типа кубитов. Почему это так важно? Упрощение подобных процессов может открыть новую эру в квантовых вычислениях, сделав возможным то, о чем современные компьютеры даже не могут мечтать.

Детали этого достижения были опубликованы в статье "Experimental Realization of Direct Entangling Gates between Dual-Type Qubits" в журнале Physical Review Letters. Как отметил ведущий автор работы Люмин Дуань: «Этот метод позволяет сократить затраты и сложность квантовых схем, устраняя необходимость преобразования между разными типами кубитов».

Что такое кубиты двойного типа?

Кубит — это основная единица информации в квантовых вычислениях, которая благодаря принципу суперпозиции может находиться одновременно в нескольких состояниях. Однако не все кубиты одинаковы. Кубиты двойного типа объединяют в себе два различных квантовых состояния в одной системе, что увеличивает их универсальность и снижает уровень помех.

Традиционные квантовые системы используют разные виды ионов для минимизации шумов между кубитами, что усложняет конструкцию. Кубиты двойного типа кодируются внутри одного иона, например, в гипертонических уровнях энергии иона бария-137. Это позволяет выполнять операции с меньшим количеством оборудования и, что еще важнее, с меньшим числом ошибок.

Как заявили ученые, «наша техника позволяет уменьшить затраты на оборудование, так как мы используем единственную лазерную систему с длиной волны 532 нм для запутывания обоих типов кубитов с помощью переходов Рамана».

Как был достигнут этот прорыв?

Эксперимент проводился с использованием ионов бария-137 в специальной ионной ловушке. Ионы охлаждали почти до их основного состояния с помощью метода Доплеровского охлаждения. Кубиты кодировались в двух уровнях энергии: гипертонических состояниях S1/2 и D5/2.

Для запутывания кубитов команда разработала лазерную систему с несколькими частотными компонентами, которые могли одновременно возбуждать оба типа состояний. Осцилляции ионов служили своеобразным «квантовым мостом», который обеспечивал их запутывание. Полученная запутанность (состояние Белла) достигла высокой точности — 96,3%, что сопоставимо с методами, используемыми для кубитов одного типа.

Этот подход революционен, поскольку исключает необходимость преобразования кубитов между типами перед их запутыванием, что ранее считалось необходимым, но неэффективным процессом. «Мы смогли создать запутывающие ворота как для кубитов двойного типа, так и для кубитов одинакового типа с одинаковой эффективностью, что доказывает отсутствие фундаментальных ограничений для применения этого метода в реальных квантовых схемах», — заявили исследователи.

Что такое Доплеровское охлаждение?

Доплеровское охлаждение — это метод, применяемый в квантовой физике для уменьшения кинетической энергии частиц, таких как атомы или ионы, охлаждая их почти до основного состояния. Лазеры, настроенные немного ниже частоты резонанса частицы, поглощаются ею, уменьшая её движение. Этот процесс необходим для точного управления квантовыми системами, включая кубиты, и позволяет проводить сложные эксперименты, такие как квантовое запутывание.

Влияние на квантовые вычисления

Потенциальное влияние данной технологии огромно. Современные квантовые системы сталкиваются с проблемами, связанными с ошибками и сложностью оборудования. Снижение этих факторов не только повысит производительность, но и позволит использовать квантовые технологии в широком спектре приложений — от квантовых сетей до коррекции ошибок.

В квантовых сетях, где требуется запутывать узлы, разделённые большими расстояниями, этот метод может упростить процесс, минимизируя шум между кубитами. А при выполнении задач коррекции ошибок запутывающие ворота для кубитов двойного типа могут значительно упростить проектирование схем и уменьшить их глубину.

Люмин Дуань сообщил, что «в будущем мы планируем использовать эту технику для квантового обнаружения промежуточных состояний в схемах коррекции ошибок, а также для создания узлов квантовых сетей на основе ионов в ловушках».

Что ждёт дальше?

Несмотря на успех, исследователи видят потенциал для улучшения. Основная проблема связана со стабильностью лазерной системы и частотной ловушки. В статье указано, что производительность ограничивается временем декогеренции лазера (2,6 мс) и движений ионов (4,1 мс).

Ученые также планируют оптимизировать оптические пути и внедрить более сложные методы стабилизации. Это повысит точность запутывающих ворот и расширит их применимость для более масштабных систем. Важно, что эта техника может быть интегрирована в существующие архитектуры квантовых вычислений без значительных изменений, делая её практичным решением для масштабирования квантовых технологий.

Уточнения

Ква́нтовая фи́зика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Куби́т (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений.

Автор Петр Дерябин
Петр Дерябин — журналист, корреспондент новостной службы Правды.Ру
Обсудить