Квантовая телепортация соединяет атомные кубиты в двух лабораториях

Исследователи из Германии выполнили телепортацию с помощью квантового шлюза между двумя квантовыми битами (кубитами) в разных лабораториях. Это знаменует собой шаг к распределенной квантовой логике, с помощью которой разработчики систем могут создавать модульные квантовые компьютеры, распределяя кубиты между различными устройствами, позволяя им вести себя как один компьютер. Распределенные системы будут избегать перекрестных помех между кубитами, которые ухудшает квантовые вычисления.

Добавление кубитов к квантовому компьютеру намного сложнее, чем добавление битов к классическому, поскольку каждый кубит (который может быть захваченным ионом, сверхпроводящей цепью, азотно-вакансионным центром алмаза или многими другими физическими проявлениями квантового состояния) должен быть способен подвергаться необходимым логическим взаимодействиям, будучи при этом защищенным от шума, который может уничтожить квантовую информацию.

Существенным источником шума является взаимодействие между несколькими кубитами: «Допустим, есть три или четыре кубита в одном устройстве, и вы хотите создать границу между двумя из них, - объясняет Северин Дайсс (Severin Daiss) из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге. - Поскольку все они находятся в одном устройстве, вы все равно можете иметь перекрестные помехи между этими двумя кубитами и другими кубитами, которые не должны участвовать в расчетах». Чем больше кубитов добавлено в одно устройство, тем серьезнее становится проблема перекрестных помех. Другими факторами, вызывающими проблемы на конкретных платформах, являются сложность обращения к конкретным кубитам в больших регистрах, ограниченное пространство и проблемы с отводом тепла от больших криогенных образцов.

Один из возможных способов масштабирования квантового компьютера без увеличения сопутствующих проблем - это распределение кубитов между несколькими устройствами. Однако для этого потребуется интегрировать квантовые логические операции, выполняемые на каждом устройстве: «Если вы просто вычисляете один результат с одним модулем и отправляете состояние другому модулю, вы все равно не увеличиваете вычислительное пространство, которое у вас есть», - объясняет Дайсс. Таким образом, «телепортация квантовых шлюзов» - создание квантовых ворот, выход которых зависит от состояния входных шлюзов в другом месте - стала активной областью исследований.

В новом исследовании Дайсс и его коллеги во главе с Герхардом Ремпе (Gerhard Rempe) представляют радикально другой, более простой в концептуальном плане шлюз, основанный на взаимодействии одного фотона с модулями в двух разных лабораториях. В каждой лаборатории они устанавливают оптический резонатор, содержащий один атом рубидия, и связывают две системы с помощью оптического волокна диаметром 60 мкм. Чтобы реализовать шлюз, они отправляют фотон в виде «летающего кубита» по волокну и последовательно отражают его от двух полостей, тем самым запутывая его поляризацию с энергетическими уровнями рубидия. Затем измерение фотона комбинируется с условной обратной связью по кубиту для реализации ворот CNOT - одного из ключевых компонентов квантовой логики.

Протокол создает «объявленные» квантовые шлюзы, в которых обнаружение фотона сигнализирует об успешной работе шлюза. В будущем это может оказаться решающим для создания надежного квантового компьютера, поскольку такое подтверждение того, что каждый последующий шлюз работал, важно, если несколько шлюзов соединены последовательно. Другие платформы теоретически могли бы создавать квантовые шлюзы, используя протокол исследователей, говорит Дайсс, если бы кубит мог быть достаточно прочно связан с полостью или резонатором. Например, это уже было достигнуто с помощью захваченных ионов или сверхпроводящих кубитов.

В будущем, говорит Дайсс, следующим шагом будет соединение модулей, содержащих более одного кубита, и производство компьютеров с более чем одним модулем: «Мы могли бы пойти в любом направлении, и оба направления выиграют от работы, которую мы делаем в данный момент», - заключает он. 

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365