Ученые собрали лазерную установку, которая способна генерировать до 14 связанных между собой ультракоротких лазерных импульсов. Такие связанные импульсы называют солитонными молекулами. Если пропустить их через высоконелинейную среду, например, нелинейный кристалл, то получится сжатое запутанное состояние — особое состояние частиц, на которых может работать квантовый компьютер. Полученные авторами импульсы отличались очень низким уровнем шумов и большой стабильностью, благодаря чему запутанные состояния, создаваемые такими импульсами, будут более устойчивыми к разрушению связей и возникновению ошибок. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Optics.
Волоконный кольцевой эрбиевый лазер, генерирующий солитонные молекулы. Источник: Илья Орехов
Квантовые компьютеры могут совершать сложные вычисления быстрее обычных за счет квантовой запутанности: они состоят из квантовых битов (кубитов), связанных между собой. Изначально кубит находится в состоянии «суперпозиции» (то есть до измерения представляет собой некое неопределенное состояние «между» значениями) и в процессе вычисления может принимать одновременно значения 0 или 1. Это позволяет быстрее находить решение сложных математических уравнений. Однако сегодня квантовый компьютер еще не может заменить обычный для большинства задач. При увеличении числа кубитов качество их работы ухудшается. Это означает, что они теряют способность связываться между собой, в результате чего пропадает квантовый параллелизм — свойство, обеспечивающее эффективность квантовых вычислительных алгоритмов. Такое свойство характерно не только для кубитов, но и для ультракоротких лазерных импульсов, которые могут служить альтернативой кубитам в квантовых компьютерах. Чтобы с их помощью создавать запутанное состояние, ультракороткие лазерные импульсы пропускают через высоконелинейную среду, например кристаллы. Вопрос, как создавать их в количестве, необходимом для квантовых компьютеров, остается нерешенным.
Ученые из Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (Москва) и Института общей физики имени А.М. Прохорова (Москва) предложили использовать для получения сжатых запутанных состояний солитонные молекулы. Это устойчивые структуры, состоящие из нескольких ультракоротких импульсов, которые взаимодействуют друг с другом таким образом, что образуют стабильное состояние. Обычно лазерное излучение генерирует 2–3 таких молекулы, но ученые собрали лазерную установку, которая производит солитонные молекулы высокого порядка с 14 связанными импульсами. Это значит, что состояние каждого из них влияет на общее состояние группы.
В качестве источника энергии для разработанного лазера, генерирующего солитонные молекулы, авторы использовали обычный лазерный диод. Его излучение, попадая в кольцевой волоконный резонатор, формировало эти стабильные устойчивые структуры. Управляя энергией источника, ученые смогли менять число получаемых молекул. В будущем это может позволить масштабировать число сжатых запутанных состояний для квантовых вычислений.
Несмотря на то что лазерное излучение возникает из хаотичных импульсов излучения, полученные солитонные молекулы оказались крайне стабильны — это значит, что они дают четкий сигнал с минимальными шумами. Это говорит о том, что такая импульсная структура способна самовычитать шумы и приходить к устойчивому стабильному состоянию. Благодаря этому квантовый компьютер на сжатых запутанных состояниях, полученных из солитонных молекул, будет более устойчивым к разрушению связей при увеличении числа связанных молекул, чем сегодняшние квантовые компьютеры.
«Сегодня солитонные молекулы находятся на переднем крае лазерной науки, и их применения крайне обширны. Например, на базе данной технологии мы в МГТУ имени Н.Э. Баумана разрабатываем новую лазерную дерматологическую систему в рамках проекта стратегического направления "Фотоника" программы "Приоритет-2030". Кроме того, в рамках проекта по квантовым вычислениям мы планируем в дальнейшем экспериментально доказать гипотезу о самовычитании шумов в таких импульсных структурах. Для этого мы соберем новый лабораторный стенд для измерения уровня фазовых шумов и сравним его величину с уровнем, измеренным для одиночных ультракоротких импульсов. Также в планах создать установку для генерации сжатых запутанных состояний и проверить их качество. Для этого полученные нами солитонные молекулы нужно будет пропустить через высоконелинейную среду, например кристалл», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Орехов, инженер лаборатории волоконных лазеров ультракоротких импульсов Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
