Учёные осуществили одновременный обмен кубитами между фотоном и атомом

Одним из многообещающих подходов к проблеме масштабирования нынешних прототипов квантовых компьютеров до систем с миллионами кубитов является использование небольших, контролируемых групп кубитов, которые при необходимости могут обмениваться информацией по оптическим соединениям.

Данные из «материального» кубита (атома или иона) для этого переносятся в «летающий» кубит — фотон. Этот фотон по оптоволоконным линиям пересылается к удаленному «материальному» кубиту и передаёт ему свою информацию. Загвоздка такого метода заключается в том, что энергия одиночного фотона очень мала, а материальные кубиты плохо взаимодействуют с таким слабым светом.

Лаборатория квантовой оптики Вейцманновского института (Израиль) одна из немногих в мире полностью сосредоточилась на решении этой проблемы. Под руководством професора Барака Даяна (Barak Dayan) там была создана экспериментальная система, в которой фотоны направлялись по особым оптическим волноводам к индивидуальным атомам, связанным с силикатными резонаторами.

Ранее, группа Даяна уже показала способность их системы функционировать как переключатель, активируемый индивидуальными фотонами. В новой работе, которой посвящена публикация в Nature Physics, израильские учёные рассказали о создании логического элемента, в котором осуществляется автоматический обмен информацией между фотоном и атомом.

«Фотон несёт один кубит, а атом — другой. Каждый раз, когда фотон и атом встречаются, между ними происходит одновременный и автоматический обмен кубитами, после чего фотон продолжает свой путь с новым битом информации, — рассказывает профессор Даян. — В квантовой механике, где информацию нельзя копировать или стирать, этот обмен данными фактически является основным элементом чтения и записи — «естественным» вентилем квантовых коммуникаций».

Такой тип квантового логического элемента — SWAP-вентиль — можно использовать для обмена кубитами внутри и между квантовыми компьютерами. Поскольку этот элемент не нуждается во внешнем управляющем поле, он делает возможным построение квантового эквивалента сверхбольших интегральных схем (СБИС).

«SWAP-вентиль, продемонстрированный нами, пригоден для фотонных коммуникаций между всеми типами материальных кубитов, а не только между атомами, — утверждает Даян. — Поэтому мы верим, что он станет важным строительным блоком в следующем поколении квантовых вычислительных систем».

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