Физики создали квантовую версию цифро-аналогового преобразования

Французские физики научились преобразовывать кубиты с дискретными переменными в кубиты с непрерывными переменными. Квантовая версия цифро-аналогового преобразователя основана на квантовой телепортации с помощью гибридной запутанности между кубитами разного типа. Протокол, разработанный авторами, содержит в себе запутывание входного и затравочных разнотипных, а также измерение одного из них в белловском базисе. Исследование опубликовано в Nature Photonics.

Аналоговая и цифровая — это две ипостаси информации, с которой человек имеет дело. Первая связана с непрерывными изменениями информационных переменных, в то время как во втором случае они дискретны. Разница в их математической природе определяет различие в подходах к работе аналоговых и цифровых вычислителей. И хотя второй тип компьютеров сейчас доминирует в информатике, физические сигналы имеют по большей части аналоговую природу. Для их связи инженеры изобрели цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

Вторая квантовая революция расширила возможности информатики, привнеся в нее работу с квантовой информацией. Цифро-аналоговая дуальность нашла отражение в различии кубитов с дискретными и непрерывными переменными (discrete and continuous variables, DV и CV). Применительно к свету дискретными переменными можно считать поляризацию или число фотонов в моде — ноль, одна, две частицы и так далее.

В то же время квантовая механика утверждает, что более естественным для света состоянием становится такое, в котором количество фотонов в моде подчиняется некоторому вероятностному распределению (физики говорят про когерентное состояние). Любая суперпозиция различных когерентных состояний называется состоянием кота Шрёдингера и может считаться квантовым наследником аналоговой информации. Проблема заключается в том, что учеными уже придумано множество различных протоколов и архитектур квантовых вычислений и коммуникаций для дискретных и непрерывных переменных, и их не всегда можно согласовать друг с другом.

Преобразование между DV- и CV-кубитами — это важный шаг, который необходим для связывания отдельных устройств в будущих инфраструктурах обработки квантовой информации. Решить эту проблему для кубитов на основе числа фотонов в моде удалось физикам из Университета Сорбонны под руководством Жюльена Лора (Julien Laurat). Для этого они воспользовались квантовой телепортацией на основе гибридной запутанности между кубитами разного типа.

В своей работе авторы переносили состояние входного DV-кубита, сформулированного в базисе фоковских состояний (0 и 1 фотон в моде) на выходной CV-кубит, сформулированный в базисе состояний кота Шрёдингера (сумма (+) и разность (-) двух когерентных состояний). Для этого они генерировали с помощью оптических параметрических осцилляторов дополнительные затравочные кубиты: дискретный и кошачий.

На первом шаге физики проводили гибридную запутанность между затравочными кубитами, эквивалентную последовательному применению вентиля Адамара и C-NOT. Для этого они направляли часть излучения на общий детектор, а об успешности запутывания объявлял однофотонный детектор на основе сверхпроводящей проволоки. Далее ученые запутывали входной и затравочный DV-кубиты с помощью вентиля C-NOT и проводили измерение последнего в белловском базисе. Эта процедура завершала телепортацию в выходной кошачий кубит.

Физики проверяли работоспособность протокола для шести различных состояний входных кубитов, соответствующих двум полюсам и четырем положениям на экваторе сферы Блоха. Для этого они подвергали входной и выходной кубиты томографии квантовых состояний и сравнивали их результаты. По результатам 40000 входных измерений и от двух до трех тысяч выходных измерений для каждого из шести состояний авторы получили среднюю степень совпадения (fidelity), равную 79,7+0,7−1,0 процента. Эта величина превышает классический предел, равный 74,1 процента, что свидетельствует об успешности преобразования. Физики особо подчеркивают, что предложенный ими протокол свободен от постселекции, следовательно, универсален.

Использование кошачьих кубитов активно набирает обороты в наши дни. Мы уже рассказывали, как их создают и запутывают, а также управляют степенью их неклассичности.