Физики превзошли эталонный тест для квантовых компьютеров, применив три фотона вместо двух

Исследователи из Университета Твенте (Нидерланды) оптимизировали классическую методику оценки идентичности квантов света. Отказавшись от традиционного попарного сопоставления, ученые реализовали интерференцию триплета фотонов. Данный подход существенно увеличивает объем извлекаемых данных за один цикл, снижая требуемое число повторных тестов приблизительно на 20% при сохранении точности. Научная работа представлена в журнале Physical Review Letters.

Развитие фотонных квантовых вычислений критически зависит от степени неотличимости единичных фотонов. Добиться абсолютного сходства на практике невозможно, в связи с чем степень их однородности подлежит обязательной валидации перед расчетами. Начиная с 1987 года для этой цели применяется эффект Хонга — У — Мандела (Hong-Ou-Mandel): пара квантов направляется на полупрозрачный светоделитель. Если характеристики частиц полностью идентичны, квантовая интерференция заставляет их покидать делитель синхронно через один и тот же выходной канал.

Ключевой недостаток данного протокола проявляется при масштабировании квантовых комплексов. Традиционная методика ограничивается парным анализом: к примеру, система из 10 фотонов требует проверки 45 уникальных комбинаций. Каждая пара, в свою очередь, нуждается в тысячах итераций, поскольку одиночный квантовый акт фиксирует лишь единичное событие. Только накопив обширную статистику, физики могут рассчитать вероятностное распределение, демонстрирующее реальную степень неразличимости частиц.

Нидерландские физики интегрировали в оптическую цепь дополнительный светоделитель, что обеспечило одновременное вовлечение в процесс трех фотонов. Подобная конфигурация позволяет параллельно собирать данные о нескольких парных корреляциях. Эксплуатируя многочастичную квантовую интерференцию при прохождении световых волн через разветвленную оптику, исследователи смогли сократить количество необходимых статистических замеров примерно на 20%.

Для доказательства информационной предельности разработанной схемы ученые задействовали аппарат информационной матрицы Фишера, определяющей полноту данных об исследуемой величине в рамках измерения. Теоретические расчеты для трехфотонной системы подтвердили абсолютную оптимальность метода: в установленных физических рамках ни один альтернативный измерительный протокол не способен предоставить больший массив данных.

Немаловажно, что выигрыш в эффективности сохраняется даже с учетом неизбежной диссипации оптического сигнала. В многофотонных архитектурах риск потери квантов растет экспоненциально, однако утрата одной частицы из трех не аннулирует весь цикл: оставшаяся пара интерферирует на части оптического тракта, формируя базовый двухфотонный сигнал Хонга — У — Мандела. Это наделяет установку свойством гибридности — она способна выполнять как продвинутый трехфотонный, так и стандартный двухфотонный анализ.

Экспериментальные испытания продемонстрировали превосходство предложенного алгоритма даже над идеализированным парным тестом, лишенным аппаратурных шумов и затухания. Математические модели авторов доказывают: превосходство в точности сохраняется при любых ненулевых значениях оптического пропускания, гарантируя практическую применимость решения. В теории схему допустимо масштабировать до 4 или 5 фотонов, хотя строгое доказательство оптимальности для таких ансамблей ученым еще предстоит найти.

На текущем этапе разработка ориентирована на квантово-оптические лаборатории для рутинной аттестации источников единичных фотонов. В долгосрочной перспективе методика может трансформироваться во встроенный модуль автокалибровки и диагностики для высокоразмерных квантовых компьютеров, оперирующих сотнями фотонных кубитов.

Источник: iXBT