Один атом излучил четырнадцать запутанных фотонов

Немецкие физики сообщили об успешной генерации запутанных многокубитных состояний на фотонах с помощью одиночного атома, помещенного в резонатор. В создание кластерных состояний им удалось вовлечь 12 фотонов, а состояний Гринбергера — Хорна — Цайлингера — 14 фотонов. Частота генерации и детектирования запутанных фотонных цепочек на основе предложенной схемы оказалась на два порядка выше, чем в методе на основе спонтанного параметрического рассеяния. Исследование опубликовано в Nature.

Одним из направлений квантовой информатики стало развитие так называемых однонаправленных квантовых вычислений. От более традиционных квантовых вычислительных схем их отличает работа не с вентилями, которые как-либо унитарно (обратимо, без потери когерентности) меняют состояние двух или более кубитов, а с измерениями, то есть необратимым коллапсом волновых функций. Ключом к использованию этой техники остается создание и поддержание запутанных многокубитных состояний.

Несмотря на то, что физики уже умеют запутывать одновременно большое количество кубитов, сделано не так много успешных попыток реализовать с их помощью однонаправленные вычисления. Довольно перспективными в этом плане выглядят оптические платформы, которые используют в качестве кубитов фотоны. Традиционный способ запутывать фотоны — это спонтанное параметрическое рассеяние с понижением частоты (spontaneous parametric down-conversion, SPDC). Этот метод, однако, вероятностный, что привносит затруднения при масштабировании вычислений до большого числа кубитов.

Работа физиков из Института квантовой оптики Общества Макса Планка под руководством Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe) была направлена на решение этой проблемы. Они взяли на вооружение детерминированный подход к генерации запутанных состояний, основанный на единственном излучателе, испускающем цепочку запутанных фотонов. Существующие реализации на ансамблях атомов и квантовых точках позволяют запутать не очень большое число фотонов (до шести), чего недостаточно для превосходства над SPDC-методом. Группа Ремпе же сообщила о том, что им удалось преодолеть эту планку.

В качестве источника фотонов физики использовали одиночный атом рубидия, помещенный в середину высокодобротного резонатора. Они прикладывали к нему небольшое магнитное поле, расщепляющее уровни атома на систему зеемановских подуровней. С помощью дополнительных лазерных лучей ученые накачивали и манипулировали состоянием атома, заставляя его излучать запутанные с ним фотоны. Скореллированность фотонов они проверяли по согласованности их поляризаций.

Схема запутывания фотона и атома основана на том, что изменение проекции m_F полного орбитального момента атома F дарит фотону круговую поляризацию, направление которой зависит от знака этого изменения. В эксперименте авторы вынуждали атом рамановски излучать из состояния с |F=2, m_F=0> в состояние |F=1, m_F=±1>. Поскольку оба состояния равнозначны, атом переходил в состояние суперпозиции, запутываясь с фотоном, чья круговая поляризация также оказывалась неопределенной. На следующем шаге, если было необходимо, они меняли местами состояния с разным знаком проекции, и повторяли цикл уже на переходах между |1,±1> и |2,±2>. Таким образом, поляризация каждого следующего фотона, была скоррелирована с поляризацией предыдущего. Всего физики добились цепочек из 12 запутанных фотонов для кластерных состояний и 14 — для состояний Гринбергера — Хорна — Цайлингера.

Чтобы понять, насколько эффективно происходит рождение фотонов в их установке, физики строили зависимость того, насколько часто рождается полная цепочка кубитов, от ее длины. В результате они выяснили, что средняя эффективность генерации и детектирования одного фотона составляет 43,18 процента. Для 14 фотонов это соответствует одному полному циклу работы с цепочкой в три минуты, что на два порядка лучше, чем достижимо с помощью SPDC.

Главными ограничениями эффективности по мнению авторов стали оптические потери, конечная кооперативность и несовершенные рамановские импульсы. В силу экспоненциального закона скорости генерации полных цепочек, даже небольшие технические улучшения эффективности смогут в будущем достичь пороговых значений отказоустойчивости при квантовой коррекции ошибок. Кроме того, предложенная схема может быть масштабирована с помощью увеличения число атомов, что существенно расширит размерность пространства фотонных состояний.

Впрочем, фотоны — это не единственные кандидаты для создания многокубитных запутанных состояний. Недавно мы рассказывали, что ученые уже научились создавать 24-частичные состояния для сверхпроводниковых кубитов и 20-частичные для нейтральных атомов.

Марат Хамадеев