Квантовые компьютеры выходят на новый уровень: учёные научились управлять «четырёхмерными» фотонами

Международная команда учёных из Австрии и Китая создала ключевой элемент для оптических квантовых компьютеров — новый тип квантового логического вентиля, позволяющий выполнять вычисления на парах фотонов, находящихся сразу в четырёх различных квантовых состояниях и их комбинациях.

В отличие от классических компьютеров, работающих только с нулями и единицами, квантовые системы используют эффект суперпозиции, при котором частица может находиться сразу в нескольких состояниях. Обычно в квантовых вычислениях применяют кубиты — системы с двумя базовыми состояниями. Однако в более сложных схемах можно использовать так называемые кудиты, способные принимать большее число состояний.

Использование кудитов даёт серьёзные преимущества, но требует точного контроля взаимодействия между ними. Учёные из Вены разработали теоретическую схему совместной обработки таких состояний, а их коллеги в Китае успешно реализовали её в лаборатории, создав новый квантовый вентиль.

В традиционных фотонных экспериментах обычно используют поляризацию света, которая имеет только два возможных состояния. В новой работе исследователи пошли другим путём.

«Мы используем фотоны принципиально иначе», — объясняет Николай Фрис (Nicolai Friis) из Института атомной и субатомной физики TU Wien. — «Нас интересует не поляризация, а пространственная форма волны фотона, связанная с его орбитальным угловым моментом».

Такая форма может принимать множество вариантов, что позволяет кодировать больше информации в одной частице. С помощью специальных методов управления исследователи научились объединять два фотона в запутанное состояние, а затем при необходимости разделять их обратно.

Подобные операции — так называемые запутывающие квантовые вентили — являются основой для построения полноценных квантовых компьютеров. В первых экспериментах команда работала с четырьмя состояниями, что эквивалентно движению в «четырёхмерном пространстве» квантовых состояний.

По словам учёных, разработка открывает путь к более компактным и мощным оптическим квантовым вычислительным системам, способным решать задачи, недоступные классическим компьютерам.

 Источник: Nature Photonics