Группа ученых физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Российского квантового центра разработала теоретическую схему, которая позволяет значительно сократить затраты фотонных ресурсов при генерации крупных запутанных квантовых состояний. Снижение таких затрат является одной из ключевых задач на пути к масштабируемым фотонным квантовым вычислениям. Результаты исследования опубликованы в журнале Q1 Physical Review Applied.
Линейно-оптические системы являются одной из перспективных платформ для квантовых вычислений. Однако для реализации масштабируемых вычислительных схем необходимо создавать многочастичные запутанные состояния, которые служат ресурсом для последующих квантовых операций. Квантовая запутанность — это фундаментальное явление, при котором состояния нескольких частиц оказываются взаимосвязаны так, что систему целиком становится невозможно описать через состояния ее отдельных частей.
Для создания крупных запутанных состояний в линейно-оптической платформе применяют операции слияния. Они позволяют объединить два небольших запутанных состояния в более крупные. Однако без вспомогательных фотонных ресурсов вероятность успешного срабатывания таких операций ограничена 50%. Существующие методы повышения этой вероятности для слияния типа I* используют вспомогательные запутанные состояния. Их подготовка, в свою очередь, сама является вероятностным процессом и требует дополнительных фотонов и оптических элементов.
Исследователи физфака МГУ и РКЦ предложили альтернативное решение. Вместо сложных запутанных состояний они использовали дополнительные одиночные фотоны. В предложенной схеме четыре вспомогательных фотона подаются в интерферометр вместе с основными кубитами, что повышает вероятность успешного слияния до 62,5%.
Авторы изучили работу предложенной линейно-оптической схемы и классифицировали возможные результаты фотодетектирования. Оказалось, что часть исходов, которые обычно считались бы неудачными, можно преобразовать в успешные с помощью дополнительной процедуры дистилляции. Такой метод позволяет дополнительно повысить вероятность успешного слияния вплоть до 75%.
«Наша работа предлагает схему, которая позволяет значительно сократить затраты фотонных ресурсов при генерации крупномасштабных квантовых состояний. Например, при создании 24-кубитного запутанного ресурсного состояния для квантовых вычислений в модели FBQC** наш метод позволяет более чем в восемь раз сократить необходимое число одиночных фотонов по сравнению с ранее известными схемами», — поясняет аспирант физического факультета и младший научный сотрудник ЦКТ МГУ Александр Мелкозеров.
Расчеты показывают, что повышение вероятности успеха отдельной операции слияния и использование более простых вспомогательных ресурсов могут дать существенный выигрыш при построении больших фотонных состояний, где такие операции выполняются многократно. Таким образом, предложенное решение существенно приближает теоретическую базу фотонных квантовых вычислений к требованиям, необходимым для практической реализации крупномасштабных квантовых алгоритмов.
Работа была поддержана госкорпорацией «Росатом» в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. А. Мелкозеров является стипендиатом программы развития теоретической физики и математики «БАЗИС».
*Операция слияния типа I — вероятностная операция в фотонных квантовых вычислениях, которая объединяет два запутанных квантовых состояния. На вход подаются два фотона; после их интерференции один фотон измеряется, а второй становится частью объединенного состояния.
**FBQC (квантовые вычисления на основе слияний) — архитектура квантовых вычислений, в которой заранее подготовленные запутанные состояния объединяются с помощью совместных измерений — операций слияния. Подход особенно хорошо подходит для реализации в линейно-оптических системах.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
