Учёные создали многомодовое квантовое запутывание с помощью инженерной диссипации

Программируемое генерация многомодового запутывания с помощью диссипативного инжиниринга. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv7838

Исследовательская группа под руководством профессора Линь Ихэна из Научно-технического университета Китая (USTC) в сотрудничестве с профессором Юань Хайдуном из Китайского университета Гонконга успешно создала многокомпонентные квантовые запутанные состояния в двух, трёх и пяти модах, используя контролируемую диссипацию в качестве ресурса. Их исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Многомодовое запутывание является ключевым ресурсом в квантовых вычислениях, связи, моделировании и сенсорике. Одна из основных проблем в создании стабильного и масштабируемого многомодового запутывания заключается в присущей квантовым системам уязвимости к шуму окружающей среды — явлению, известному как диссипация. Для смягчения диссипативных эффектов традиционные методы подготовки часто требуют изоляции системы от окружающей среды.

Последние теоретические и экспериментальные работы выявили инновационный подход: при правильном проектировании диссипацию можно превратить в ресурс для генерации специфических квантовых состояний — метод, известный как «инженерная диссипация». Однако предыдущие эксперименты ограничивались одномодовыми и двухмодовыми квантовыми системами, и оставались серьёзные трудности в экспериментальной реализации запутанных состояний в многомодовых бозонных системах.

В данном исследовании с помощью точного лазерного контроля над цепочкой захваченных ионов учёные создали связь между диссипативными спинами и колебательными модами, что позволило осуществлять программируемый контроль над специфическими процессами диссипации. Этот подход сделал высокозапутанное целевое квантовое состояние единственным стационарным состоянием системы, в то время как другие состояния спонтанно эволюционировали к нему, демонстрируя свойство «автономной стабилизации». Это значительно повышает практичность и применимость техники.

В конечном счёте исследовательская группа подготовила двух-, трёх- и пятимодовые сжатые запутанные состояния из начальных тепловых состояний, достигнув верности (fidelity) свыше 84%. Сгенерированные состояния были всесторонне охарактеризованы. Подлинное многокомпонентное запутывание было подтверждено измерением квантовых корреляций между модами и применением критериев неразделимости ван Лоока-Фурусавы.

Благодаря точному контролю над связью между множественными колебательными модами и внутренним состоянием ионов, система может быть масштабирована для работы с большим количеством ионов и колебательных мод.

Это исследование продемонстрировало уникальный потенциал системы захваченных ионов для обработки квантовой информации в системах с непрерывными переменными. Подход инженерной диссипации в данном исследовании демонстрирует сильную универсальность и имеет потенциал для применения на различных физических платформах, таких как сверхпроводящие резонаторы, атомные ансамбли и наномеханика.

По мере развития квантовых технологий в направлении инженерной зрелости и системной интеграции, методы генерации запутывания на основе диссипации обеспечат мощную поддержку для построения стабильных систем обработки квантовой информации. Они сыграют критическую роль в квантовых вычислениях и многопараметрическом оценивании.

Дополнительная информация: Yue Li et al, Programmable multi-mode entanglement via dissipative engineering in vibrating trapped ions, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv7838