Предложен новый способ генерации запутанных состояний в квантовых компьютерах

Учёные ИТМО предложили универсальный способ для генерации квантовых корреляций и запутанных состояний. Он позволяет динамически влиять на параметры системы и задавать желаемые характеристики фотонов, например, явления группировки или антигруппировки. Исследование открывает возможности для кодирования запутанных состояний в сверхпроводящих кубитах и обработки квантовой информации в оптических чипах нового поколения. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters. Для устройств на основе сверхпроводящих кубитов, например, чипов нового поколения или квантовых компьютеров важно создавать запутанные состояния Белла. Эти состояния ? фундамент для любой обработки квантовой информации, квантовых вычислений и разработки сверхбыстрых процессоров. Современные системы позволяют создавать установки по генерации источников нескольких фотонов, но их параметры определяются сразу при производстве конструкции, то есть управлять характеристиками системы невозможно. Это ограничивает исследовательские и технические возможности. 
Учёные ИТМО нашли решение этой проблемы. Они предложили теоретический протокол для динамической генерации устойчивых квантовых корреляций и запутанных состояний Белла в излучении частотной гребёнки от массива сверхпроводящих кубитов. Метод универсален, учитывает временную эволюцию кубитов и может использоваться для управления корреляциями фотонов в динамически модулированных квантовых системах.

«Наш протокол добавляет в систему своеобразный “тумблер”, с помощью которого можно переключать режимы ? с группировки фотонов (когда частицы излучаются группами) на антигруппировку, когда каждая частица излучается самостоятельно. Это позволяет добиться желаемых параметров системы или установки, ? объясняет автор исследования, студент магистратуры Нового физтеха ИТМО Денис Ильин. ? Ещё мы предложили простой, но весьма эффективный способ генерации частотной гребёнки системы (простая двухуровневая квантовая система): берём два кубита, помещаем в систему и “трясём” их уровни (с небольшим запаздыванием по фазе). В итоге мы получили шахматную диаграмму эффектов группировки и антигруппировки, защищённых симметрией системы, и возможность динамически генерировать многофотонные запутанные состояния с определённой точностью, просто найдя нужный закон “тряски”».

Исследователи провели аналитические вычисления корреляционных функций при малых амплитудах тряски и расчёт энтропии запутанности фотонных состояний в зависимости от параметров “тряски” системы, подтвердили соответствующие выводы численными расчётами, расширив применимость метод на диапазон больших амплитуд.

Учёные показали, что взаимными корреляциями между сигналами в волноводе можно управлять, а также предложили эффективный способ управления. Результаты исследования предполагают возможность контролировать корреляции сигналов при одноканальной передачи квантовой оптической информации. Это открывает большие возможности для будущих протоколов обработки квантовой информации устройств нового поколения (например, вычислительных устройств).

Авторы будут развивать исследование, в их планах ? экспериментальное подтверждение гипотезы, а также изменение параметров исследуемой системы (учёные хотят ввести в неё механические степени свободы). Работа поддержана грантами РНФ, а также программой Минобрнауки России «Приоритет 2030».