Квантовый алгоритм Гровера поможет эффективно создавать коллективные состояния в оптических резонаторах

Алгоритм Гровера, квантовый алгоритм для поиска, может быть использован для эффективного создания запутанных состояний множества кубитов. Его можно физически реализовать в системах «атом-резонатор», многократно облучая резонатор одиночными фотонами с тщательно подобранной частотой. Автор: Иллюстрация адаптирована из работы О. Нагиба, М. Саффмана и К. Мёльмера «Эффективная подготовка запутанных состояний в резонаторной КЭД с помощью алгоритма Гровера», Phys. Rev. Lett. 135, 050601 (2025).

Надёжное создание квантовых состояний, особенно тех, которые включают несколько частиц, является ключевым для развития различных квантовых технологий, включая квантовые компьютеры, сенсоры и системы связи. Эти коллективные квантовые состояния включают так называемые состояния Дикке и Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ), многокомпонентные запутанные состояния, которые можно использовать для точных измерений, исправления ошибок квантовых компьютеров и обеспечения связи между удалёнными устройствами с использованием квантовых эффектов.

Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон и Копенгагенского университета недавно предложили новую стратегию для эффективной подготовки этих запутанных состояний в оптическом резонаторе — структуре, используемой для улавливания и усиления света. Их подход, описанный в статье, опубликованной в Physical Review Letters, основан на использовании квантового алгоритма поиска Гровера.

«Запутанные состояния — это важный ресурс в квантовой информации, но их подготовка была ограничена, потому что предыдущие предложения либо имели низкую вероятность успеха, либо были слишком подвержены ошибкам», — пояснил Омар Нагиб, ведущий автор статьи. «Мы предлагаем эффективную схему для подготовки запутанных состояний множества атомов внутри резонатора».

В рамках своего исследования Нагиб и его коллеги изучили возможность подготовки запутанных состояний с использованием алгоритма Гровера. Этот квантовый алгоритм, разработанный Ловом Гровером в 1996 году, предназначен для поиска определённого «отмеченного» элемента в неупорядоченной базе данных быстрее, чем классические алгоритмы.

«Мы показали, что алгоритм Гровера, квантовый алгоритм для неструктурированного поиска, можно адаптировать для быстрой подготовки важного класса запутанных состояний, таких как состояния Дикке, GHZ и «кота Шрёдингера», — объяснил Нагиб. «Хотя алгоритм Гровера в целом сложно реализовать, мы продемонстрировали, что его можно эффективно воплотить в резонаторе с атомным ансамблем, многократно отражая одиночные фотоны от резонатора».

Чтобы продемонстрировать потенциал своего подхода, исследователи изучили его применение для создания различных запутанных состояний в системе, состоящей из атомов внутри оптического резонатора. В итоге они теоретически показали, что можно реализовать различные состояния, включая состояния Дикке, GHZ и «кота Шрёдингера».

«Любое состояние Дикке с 500 атомами или меньше можно подготовить, облучив резонатор максимум восемью одиночными фотонами, что делает этот подход масштабируемым», — отметил Нагиб. «Предложенная схема также универсальна и может быть реализована в других физических системах, таких как сверхпроводящие кубиты в резонаторе, захваченные ионы и нейтральные (ридберговские) атомы».

Эта работа может открыть новые возможности для создания квантовых состояний и, следовательно, для разработки широкого спектра тщательно спроектированных квантовых устройств. В будущем она может вдохновить другие исследовательские группы на адаптацию алгоритма Гровера для создания желаемых квантовых состояний в различных системах, включая атомные, сверхпроводящие кубиты и захваченные ионы.

«Наше предложение требует резонаторов с малыми потерями, что является экспериментально сложной задачей, поэтому было бы интересно посмотреть, можно ли ослабить это требование, модифицировав схему», — добавил Нагиб. «Также было бы интересно определить, можно ли расширить текущую работу для эффективной подготовки более широкого класса запутанных состояний».

Дополнительная информация: Omar Nagib et al, Efficient Preparation of Entangled States in Cavity QED with Grover's Algorithm, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/3fzf-wsr2. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2501.18881
Omar Nagib et al, Deterministic carving of quantum states with Grover's algorithm, Physical Review A (2025). DOI: 10.1103/s3vs-xz7w.