Физикам удалось создать множественную атомно-фотонную запутанность

Немецкие физики смогли создать мультиплексную атомно-фотонную запутанность с эффективностью генерации-обнаружения около 90 процентов. Для этого ученые использовали оптический пинцет, чтобы разместить атомы в двумерном массиве в оптической решетке, и облучали их один за другим при помощи лазера в резонаторе Фабри — Перо. Результаты опубликованы в журнале Science.

Квантовые вычисления и квантовые компьютеры имеют огромный потенциал для решения задач, недоступных обычным компьютерам. Однако масштабирование таких систем до многих кубитов остается сложной задачей из-за потерь в оптических системах связи и неустранимых ошибок. Одним из решений может быть разработка квантовой сети, состоящей из небольших квантовых регистров, содержащих вычислительные кубиты, которые обратимо связаны с коммуникационными кубитами. Это позволит преодолеть потери и ошибки благодаря мультиплексному квантовому протоколу, включающему повторители и механизмы исправления квантовых ошибок.

Группе ученых под руководством Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe) из Института квантовой оптики Общества Макса Планка удалось создать подобный регистр. Для этого ученые охлаждали лазером атомы рубидия-87 (⁸⁷Rb) и размещали их при помощи оптического пинцета в узлах решетки оптической ловушки. Физикам удалось размещать и контролировать таким образом до шести атомов рубидия, что существенно больше, чем в предыдущих экспериментах. Оптическая решетка была организована внутри резонатора Фабри — Перо. При помощи лазера физики создавали начальное состояние и когерентное возбуждение атомов. Рожденные фотоны, покидающие резонатор, проходили через оптическую систему и регистрировались при помощи сверхпроводящих нанопроволочных однофотонных детекторов.

В результате ученым удалось создавать и регистрировать фотоны, квантово-запутанные с атомами. При этом за счет увеличения количества атомов вероятность зарегистрировать хотя бы один запутанный фотон выше, чем у одиночных кубитов. Физикам удалось достичь стабильной эффективности генерации-обнаружения на уровне 90 процентов.

Ученые отмечают, что их подход может быть масштабирован до систем из многих атомов. Это увеличит вероятность генерации-обнаружения и повысит надежность работы квантового регистра.

Физики продолжают исследовать возможность создания устойчивых квантовых сетей для распределенных квантовых вычислений. Например, недавно ученые показали, что можно реализовать квантовые облачные вычисления, объединив фотоны с ионами.