Физики впервые отправили запутанные состояния кубитов по каналу связи

Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) при Чикагском университете впервые отправили запутанные состояния кубитов через кабель связи, соединяющий один узел квантовой сети со вторым.

Кроме того, они усилили запутанное состояние через тот же кабель. Сначала они использовали кабель, чтобы запутать два кубита в каждом из двух узлов, а затем перепутать их с помощью других кубитов в узлах.

Результаты, опубликованные в журнале Nature, помогут сделать квантовые вычисления более осуществимыми и заложить основу для будущих сетей квантовой связи.

«Разработка методов, позволяющих передавать запутанные состояния, будет иметь важное значение для масштабирования квантовых вычислений», — подчеркнул профессор Эндрю Клеланд, руководивший исследованием.

Кубиты, или квантовые биты — это основные единицы квантовой информации. Используя их квантовые свойства — например, суперпозицию, и их способность связываться друг с другом, ученые и инженеры создают квантовые компьютеры следующего поколения. Они смогут решать ранее неразрешимые проблемы.

Cleland Lab (Лаборатория професора Клеланда), использует сверхпроводящие кубиты, крошечные криогенные схемы, которыми можно управлять электрически.

Чтобы передать запутанные состояния через коммуникационный кабель — сверхпроводящий кабель длиной один метр — исследователи создали экспериментальную установку с тремя сверхпроводящими кубитами в каждом из двух узлов. Они подключили по одному кубиту в каждом узле к кабелю, а затем отправили квантовые состояния в виде микроволновых фотонов по кабелю с минимальной потерей информации. Хрупкая природа квантовых состояний делает этот процесс довольно сложным.

Бывший научный сотрудник Лаборатории Клеланда, первый автор статьи Юпенг Чжун, разработал систему, в которой весь процесс передачи — от узла к кабелю к узлу — занимает всего несколько десятков наносекунд (наносекунда составляет одну миллиардную долю секунды). Это позволило им посылать запутанные квантовые состояния с очень небольшой потерей информации.

Система также позволила ученым «усилить» запутанность кубитов. Они использовали по одному кубиту в каждом узле и запутали их вместе, по сути, отправив полуфотон через кабель. Затем исследователи распространили эту запутанность на другие кубиты в каждом узле. В итоге, все шесть кубитов в двух узлах были запутаны в едином глобально запутанном состоянии.

В будущем квантовые компьютеры, вероятно, будут построены из модулей, в которых семейства запутанных кубитов проводят вычисления. В конечном итоге эти компьютеры будут построены из множества таких сетевых модулей. Этот процесс подобен тому, как суперкомпьютеры сегодня проводят параллельные вычисления на многих центральных процессорах, связанных друг с другом. Возможность удаленно запутывать кубиты в различных модулях или узлах — значительный шаг в реализации таких модульных подходов.

Такие модули должны будут отправлять друг другу сложные квантовые состояния, и последнее исследование — большой шаг к этому. Квантовая сеть связи также может воспользоваться этим достижением.

Ученые надеются затем расширить свою систему до трех узлов, чтобы создать трехстороннюю запутанность.

Таким образом они надеются показать, что сверхпроводящие кубиты будут играть жизнеспособную роль в будущем.