Физики из Института науки и технологий Австрии (ISTA) впервые реализовали полностью автономный способ распределённой квантовой запутанности с использованием так называемой «квантовой ванны», состоящей из коррелированных частиц света.

Новый подход к распределённой запутанности

Будущие квантовые компьютеры могут требовать соединения удалённых модулей с помощью распределённой запутанности. Ранее для создания такой связи обычно требовалось активное управление и многократные измерения. Новый метод, разработанный в ISTA, основан на использовании квантовой ванны, которая автоматически синхронизирует удалённые кубиты без необходимости внешнего вмешательства.

Эксперимент, опубликованный в журнале Physical Review X, впервые подтвердил теоретическое предсказание, сделанное более 20 лет назад. Этот подход может стать основой для практических квантовых технологий, позволяя связывать удалённые квантовые биты (кубиты) для построения масштабируемых квантовых компьютеров и сетей.

Традиционные методы и их ограничения

Ранее существовало две основные стратегии для запутывания удалённых кубитов:

• Передача одного фотона от одного кубита к другому с активным управлением.
• Генерация фотонов каждым кубитом и их последующее сравнение для создания запутанности.

Второй метод был отмечен Нобелевской премией по физике в 2022 году, однако он также зависит от повторных измерений и не всегда приводит к успешной запутанности.

Особенности нового метода

В новом прототипе использован общий источник коррелированных частиц света для запутывания двух разделённых кубитов. Квантовая ванна создаёт и стабилизирует запутанность между кубитами, выступая в роли среды, ответственной за формирование и поддержание квантовой когерентности. Такой подход обеспечивает постоянную доступность запутанного состояния, что отличает его от временных методов, где запутанность существует лишь короткое время.

Использование микроволновых фотонов

Для связи кубитов с источником запутанных фотонов применялись микроволновые фотоны. Эти низкоэнергетические частицы света широко используются для манипулирования квантовой информацией и являются ключевыми для современных сверхпроводящих кубитов. Оптические фотоны, в свою очередь, применяются в оптике и атомной физике и могут быть важны для передачи квантовой информации между удалёнными квантовыми компьютерами через оптоволокно.

Подтверждение запутанности

Для подтверждения синхронизации двух кубитов внутри квантовой ванны использовалась квантовая томография — метод, позволяющий восстановить квантовую систему по множеству различных измерений. Измерения проводились с длительностью всего 20–80 наносекунд, что позволило исследовать внутренние состояния кубитов.

Перспективы и ограничения

В ходе эксперимента удалось реализовать лабораторный прототип, подтверждающий давнюю теоретическую гипотезу. Новый метод пока уступает по эффективности традиционным подходам с активным управлением, передавая около 10% доступной запутанности ванны. Одной из причин длительной реализации идеи стали сложности воспроизведения идеализированных условий, заложенных в исходной теории.

Разработанный прототип может открыть новые возможности для экспериментов в квантовой оптике, а также способствовать развитию масштабируемых квантовых процессоров и приближению их к работе с коррекцией ошибок.