OPX+ преодолела «узкое место» запутанности кубита

Квантовые сети, в которых запутанность распределена по удаленным узлам, обещают произвести революцию в квантовых вычислениях, коммуникации и зондировании. Однако основным узким местом была масштабируемость, поскольку скорость запутывания в большинстве существующих систем ограничена конструкцией сети с одним кубитом на узел. Новое исследование, возглавляемое профессором А. Фараоном из Калтеха и проведенное А. Рускучем и др., недавно опубликованное в Nature ( ссылка: 1-2), представляет собой новаторское решение: мультиплексированная запутанность с использованием нескольких излучателей в узлах квантовой сети. Используя редкоземельные ионы, связанные с нанофотонными полостями, исследователи из Калтеха и Стэнфорда продемонстрировали масштабируемую платформу, которая значительно повышает скорость запутывания и эффективность сети. Давайте подробнее рассмотрим две ключевые проблемы, с которыми они столкнулись — мультиплексирование для повышения скорости запутывания и стратегии динамического управления для обеспечения неразличимости кубитов — и то, как они их преодолели.

Преодоление узкого места запутанности с помощью мультиплексирования
Одной из самых больших проблем в масштабировании квантовых сетей является узкое место скорости запутывания, которое возникает из-за фундаментальных ограничений квантовой связи на больших расстояниях. Когда два удаленных кубита запутываются посредством фотонной интерференции, скорость распространения запутывания обычно ограничивается скоростью света и расстоянием между узлами. В типичных системах с одним кубитом на узел эта скорость масштабируется как c/L (где c — скорость света, а L — расстояние между узлами), что приводит к длительному времени ожидания между успешными событиями запутывания. Это серьезно ограничивает масштабируемость квантовых сетей.

Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи в этом исследовании представили архитектуру мультиплексированной квантовой сети, где несколько кубитов — каждый из которых является спектрально отличным редкоземельным ионом — размещаются в одном узле. Это позволяет одновременно предпринимать несколько попыток запутывания, увеличивая скорость до Nc/L, где N — количество кубитов на узел. Увеличивая количество излучателей на узел, команда достигла почти двукратного увеличения скорости запутывания, продемонстрировав, что мультиплексирование является жизнеспособным путем к высокопроизводительной квантовой связи.

Прямая связь в реальном времени для запутывания редкоземельных ионов
Оптически адресуемые спиновые кубиты стали ведущими кандидатами для разработки сетей квантовых повторителей. Однако масштабируемость этих сетей за пределами текущих конфигураций с несколькими узлами требует радикального улучшения эффективности и точности квантовых связей. Твердотельные излучатели особенно перспективны из-за чрезвычайно длительного времени когерентности их основных спинов (в этой работе они демонстрируют время T2 состояния Белла более 9 мс с динамической развязкой) и потенциала для нанофотонной интеграции.

С другой стороны, присущие пространственные и временные изменения в кристаллах-хозяевах представляют собой серьезные проблемы, включая статические сдвиги и динамические флуктуации оптических переходных частот. Фактически, если излучатели не являются идеально идентичными, то излучаемые фотоны не будут неразличимы. Это приводит к фотонам с немного разными частотами, которые не будут мешать друг другу. Исследовательская группа Калифорнийского технологического института представляет масштабируемый подход, использующий обнаружение фотонов со стиранием частоты наряду с адаптивными квантовыми схемами. Здесь платформа управления OPX компании Quantum Machines позволила исследователям реализовать необходимые операции прямой связи, обусловленные измерениями. Этот протокол относится к категории квантового реального времени (QRT) (3), то есть условная операция на основе измерений, для которой классическая задержка обратной связи должна быть сравнима с (и значительно короче) временем когерентности кубита — нелегкая задача для классических систем управления.

«Система управления квантовыми машинами OPX стала технологией, обеспечивающей возможности для наших исследований. Она обеспечивает непревзойденную гибкость и простоту использования для экспериментов, требующих квантового прямого управления в реальном времени. Благодаря интегрированной высокоточной временной маркировке эта платформа является очевидным решением для передовых экспериментов с квантовыми сетями». — Проф. Андрей Фараон, Лаборатория прикладной физики TJ Watson, Калифорнийский технологический институт

Оптимизация запутанности: компенсация в реальном времени для квантовых узлов
Основная проблема при использовании нескольких кубитов в одном узле заключается в том, что каждый кубит (ион) имеет различную частоту оптического перехода из-за небольших изменений в его локальной среде. Хотя эта спектральная различимость обеспечивает мультиплексирование, она также вносит флуктуации частоты, которые ухудшают точность запутывания. Квантовое состояние каждого иона определяется обнаружением одного фотона, но из-за стохастической природы времени испускания фотона эти вариации частоты вносят случайные фазовые сдвиги между запутанными кубитами. Чтобы поддерживать высокоточную запутанность, исследователи использовали квантовое управление прямой связью в реальном времени — метод, который динамически корректирует эти фазовые сдвиги на основе измеренного времени испускания фотона. Именно здесь контроллер OPX компании Quantum Machines сыграл решающую роль.

Редкоземельные ионы: катализаторы эволюции квантовой связи
По сути, это исследование не только дает практическое решение универсальных ограничений, налагаемых неоднородностью и нестабильностью твердотельных излучателей, но и демонстрирует потенциал отдельных редкоземельных ионов как масштабируемой платформы для будущего квантового интернета. По мере того, как мы все дальше углубляемся в сферу квантовых технологий, такие новаторские достижения, несомненно, сформируют ландшафт коммуникации, вычислений и многого другого.

Хотите узнать, как провести подобный эксперимент?
Готова ли ваша платформа использовать обратную связь на основе измерений и прямую связь, выполняемую в режиме реального времени? Свяжитесь с нами, чтобы узнать больше о гибридных контроллерах OPX.

Источник: Quantum Machines Blog