Физики впервые создали «квантовую ванну» для автономной запутанности кубитов

Физики из Института науки и технологий Австрии (ISTA) впервые продемонстрировали полностью автономный метод создания запутанности между удаленными кубитами с помощью «квантовой ванны» из коррелированных световых частиц. Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Physical Review X, подтверждают теоретическое предсказание, сделанное более 20 лет назад, и могут стать новой основой для практических квантовых технологий.

Запутанность — одно из ключевых явлений квантовой физики, позволяющее частицам или системам разделять корреляции, невозможные с точки зрения классической физики. Создание распределенной запутанности между физически разделенными кубитами важно для построения более крупных квантовых компьютеров и будущих квантовых сетей.

Предыдущие попытки запутать удаленные кубиты обычно следовали одной из двух стратегий: отправка одиночного активно управляемого фотона от одного кубита к другому, либо испускание фотона каждым кубитом с последующим сопоставлением этих фотонов для генерации запутанности. Второй подход был отмечен Нобелевской премией по физике 2022 года, однако он по-прежнему зависит от повторных измерений и пост-отбора, и даже в этом случае процесс не всегда успешно создает запутанность.

Аспирант Алехандро Андрес-Хуанес и профессор Йоханнес Финк из ISTA совместно с международными коллегами разработали иное решение. Их система использует квантовую ванну, которая автоматически синхронизирует удаленные кубиты. В прототипе устройства исследователи использовали общий источник коррелированных световых частиц, чтобы запутать два разделенных кубита, экспериментально реализовав идею, которая оставалась теоретической более двух десятилетий.

Квантовая запутанность может принимать различные формы. Состояния с непрерывными переменными можно эффективно производить, и они относительно доступны. Однако многие полезные квантовые технологии зависят от систем с «дискретными переменными», которые включают формы запутанности «все или ничего», используемые стационарными кубитами. Задача команды ISTA заключалась в поиске способа соединить эти доступные непрерывные формы запутанности с дискретными формами, необходимыми для практических применений.

«В этой работе мы стремились преодолеть несоответствие между легкодоступными и практически полезными формами запутанности. Стабилизируя запутанные состояния удаленно, наш подход полностью автономен и не требует активного контроля или измерений», — говорит Андрес-Хуанес.

Поддержание как запутанности, так и квантовой когерентности — одна из главных трудностей квантовых вычислений. Исследователи решили эту проблему, сделав само окружение кубитов ответственным за создание и стабилизацию запутанности.

«В нашем методе квантовая ванна, то есть окружение кубитов, является источником запутанности. Она создает новое основное состояние через непрерывный поток коррелированных фотонов. Таким образом, запутанное состояние кубитов стабилизируется даже за пределами собственного „времени жизни" кубитов и всегда остается доступным в качестве ресурса для дальнейшей квантовой обработки. Это делает подход концептуально значимым», — поясняет Финк.

Поскольку запутанное состояние остается доступным, исследователи могут обращаться к нему в любой момент. Это отличается от временной запутанности, которую необходимо использовать в течение короткого периода ее существования.

Для связи кубитов с запутанным источником фотонов исследователи использовали микроволновые фотоны — низкоэнергетические световые частицы, особенно полезные для манипулирования квантовой информацией и уже являющиеся центральными для ведущей технологии сверхпроводящих кубитов. Оптические фотоны, в свою очередь, обычно используются в оптике и атомной физике и могут стать важными для передачи квантовой информации между удаленными квантовыми компьютерами через оптоволокно.

Чтобы подтвердить, что два кубита действительно синхронизированы внутри квантовой ванны, исследователи использовали квантовую томографию — технику, реконструирующую квантовую систему путем изучения множества различных «срезов» ее поведения.

«Кубиты могут находиться в суперпозиции состояний, но все эти состояния разрушаются при измерении, оставляя нам состояние 0 или 1», — объясняет Андрес-Хуанес.

Квантовая томография позволила исследователям проводить измерения длительностью всего 20–80 наносекунд (наносекунда — одна миллиардная доля секунды) и использовать эти наблюдения для изучения основных состояний кубитов.

Успешно запутав два изолированных кубита через квантовую ванну, исследователи ISTA создали лабораторный прототип, подтверждающий давнее теоретическое предложение.

«Мы представляем относительно простой метод, который можно масштабировать для синхронизации нескольких удаленных кубитов», — говорит Андрес-Хуанес.

Новый подход многообещающий, но пока не так эффективен, как методы с активным контролем состояний кубитов. «Наш метод в настоящее время передает около 10% доступной запутанности ванны».

Исследователи предполагают, что одной из причин, почему идея оставалась нереализованной более двух десятилетий, является то, что оригинальная теория была разработана в идеализированных условиях, которые трудно воспроизвести экспериментально.

«Наши эксперименты помогли выявить несколько факторов, которые могли помешать ученым создать функциональную квантовую ванну с использованием одного источника коррелированных фотонов для распределенной запутанности», — заключает Финк.

Разработанный в ISTA прототип может открыть новые возможности для экспериментов в области квантовой оптики, а также способствовать расширению квантовых процессоров и приближению их к отказоустойчивой работе.

Источники:

Материалы предоставлены Институтом науки и технологий Австрии.

A. Andrés-Juanes, J. Agustí, R. Sett, E. S. Redchenko, L. N. Kapoor, S. Hawaldar, P. Rabl, J. M. Fink. Distributing Stationary Qubit Entanglement through a Nonlocal Squeezed Reservoir. Physical Review X, 2026; 16 (3) DOI: 10.1103/r4jt-j39w