Сотрудники кафедры квантовой электроники и Центра квантовых технологий физического факультета МГУ применили алгоритм компьютерной оптимизации для повышения эффективности линейно-оптической генерации двухкубитных максимально перепутанных состояний Белла. Работа полностью выполнена в МГУ. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Research и выполнено по программе развития НОШ МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина».

Разработанная более компактная и эффективная квантовая оптическая схема для генерации двухкубитных состояний Белла с вероятностью успешной генерации 1/9. Схема требует одного детектора фотонов

Разработанная более компактная и эффективная квантовая оптическая схема для генерации двухкубитных состояний Белла с вероятностью успешной генерации 1/9. Схема требует одного детектора фотонов

 

Двухкубитные квантовые состояния фотонов незаменимы в квантовых информационных алгоритмах, например, в квантовых вычислениях и квантовой коммуникации. По этой причине разработка эффективных методов генерации таких состояний является объектом активных исследований сообщества учёных, работающих в области прикладной квантовой информации с оптическими фотонами. На сегодняшний день перспективным направлением методов генерации и преобразования квантовых состояний фотонов являются линейно-оптические методы. Однако по причине контринтуитивного поведения фотонов в линейно-оптических схемах, в корне отличающегося от поведения классических сигналов в этих схемах, создание даже простых квантовых оптических схем представляется сложной задачей.

Учёные из Центра квантовых технологий физического факультета МГУ применили теоретические методы квантовой оптики и компьютерные методы оптимизации сложных многопараметрических функций для повышения эффективности линейно-оптической генерации двухкубитных максимально перепутанных состояний Белла. В результате была найдена более эффективная линейно-оптическая схема для генерации этих состояний. Благодаря этому авторам удалось повысить вероятность генерации двухкубитных состояний Белла в 1.5 раза. Кроме этого, полученная схема оказалась проще, т.к. её создание требует меньшего количества элементов.

«Данная работа подчёркивает незаменимую роль компьютерных методов при разработке квантовых оптических устройств. Мы считаем, что компьютерные методы, в т.ч. методы, до этого используемые только в классических областях машинного обучения и искусственного интеллекта, будут играть всё более важную роль при разработке квантовых вычислительных и коммуникационных устройств», - рассказывает научный сотрудник физического факультета МГУ Михаил Сайгин.

Линейно-оптические квантовые вычисления являются одним из наиболее перспективных направлений развития всей области квантовых вычислений. Это направление в последнее время активно развивается во всём мире. В частности, появились коммерческие компании, разрабатывающие квантовые вычислители такого типа, получившие финансирование по несколько сотен миллионов долларов. В России оптическими квантовыми вычислениями занимаются в Центре квантовых технологий МГУ.

Научная ценность работы заключается в повышении эффективности генерации перепутанных квантовых состояний линейно-оптическими методами. В будущем найденная схема и методы поиска оптимальных квантовых схем, аналогичные применённым в работе, могут быть использованы для построения крупномасштабных квантовых вычислителей или в квантовых коммуникационных сетях.

Работа выполнена при поддержке РФФИ № 19-52-80034 «БРИКС_т» и фонда «БАЗИС».

 

Источник информации и изображения: пресс-служба МГУ