Миниатюрную интегральную систему, испускающую сжатый свет и способную радикально повысить чувствительность детекторов и открыть путь к масштабируемым квантовым вычислителям, создали ученые «Росатома» и Российского квантового центра. О прорыве в области фотонных квантовых технологий рассказал кандидат физико-математических наук, руководитель научной группы «Росатом Квантовые технологии» и руководитель научной группы в Российском квантовом центре Дмитрий Александрович Чермошенцев.
Точность классических оптических измерений упирается в фундаментальный квантовый предел — дробовой шум, порожденный соотношением неопределенностей Гейзенберга. Амплитуду и фазу электромагнитного поля нельзя измерить с абсолютной точностью: чем меньше неопределенность одной величины, тем больше она становится у другой. В фазовом пространстве этот предел принято изображать в виде окружности, внутри которой равновероятно находится любое значение. Технология сжатого света позволяет перераспределить неопределенности: окружность «сжимается» в эллипс, при этом шум в одном из квадратурных компонентов падает ниже стандартного квантового предела.
«Оказывается, можно немножко обмануть природу в каком-то смысле и преодолеть это фундаментальное ограничение. Мы увеличиваем неопределенность измерения одной из компонент, и тогда вторая компонента должна свой шум уменьшить. Работая с той компонентой, неопределенность которой мы уменьшили, мы можем зайти за пределы дробового шума», — пояснил Д.А. Чермошенцев.
Главное преимущество метода в том, что чувствительность растет не за счет наращивания мощности светового пучка, а благодаря изменению квантовой структуры самого излучения. Это принципиально важно там, где сильный сигнал способен разрушить исследуемый объект, — например, при поиске лекарственных соединений в живых тканях или анализе состава крови. В мире уже действуют биологические микроскопы на сжатом свете, а самый известный пример использования этой технологии — гравитационно-волновой детектор LIGO, регистрирующий сигналы от слияния черных дыр. Кроме того, на базе подобных состояний можно строить квантовые вычислители на непрерывных переменных.
Отличительная черта новой российской разработки — интегральное исполнение. Источник сжатого света выполнен на чипе, что делает систему компактной и пригодной для установки в телекоммуникационные сети или даже для вывода в космос. До сих пор в мире существовали лишь громоздкие лабораторные «сжиматели», а интегральные решения только начинают появляться. Реализовать проект силами одной лаборатории было бы невозможно — потребовалась консолидация усилий науки, государства и промышленности.
«Создавать такие квантовые системы достаточно сложно, и просто силами отдельной научной группы сделать это очень тяжело. Но, к счастью, последние годы государство оказывает большую поддержку ученым. Под контролем госкорпорации „Росатом“ выполняется дорожная карта по квантовым вычислениям, в рамках которой этот проект и был реализован. Это пример интересной синергии научного сообщества, госкорпорации и государства», — отметил Д.А. Чермошенцев.
В перспективе новый источник позволит не только совершенствовать измерительную аппаратуру, но и ускорить создание квантовых компьютеров, работающих на непрерывных переменных. Пока это направление в России развивается не столь активно, как платформы на одиночных фотонах, однако полученный результат, как надеются авторы, запустит процесс масштабирования оптических квантовых систем.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображения: Magnific
