Физики научились «штамповать» квантовую запутанность, проложив путь к распределённым квантовым компьютерам

Прорыв в квантовой инженерии

Международная группа физиков впервые экспериментально реализовала метод создания квантовой запутанности между двумя удалёнными кубитами, который теоретики предложили ещё в 2004 году. Исследование, результаты которого опубликованы в ScienceAlert, демонстрирует принципиально новый подход: запутанность возникает не за счёт прямого взаимодействия кубитов, а через общий поток специально подготовленного микроволнового излучения.

От теории 2004 года к практике

Традиционно квантовую запутанность между кубитами создают двумя сложными способами: либо передают строго контролируемый фотон от одного кубита к другому, либо отправляют по одному фотону от каждого кубита на смеситель с обязательным детектированием результата. Оба метода требуют обратной связи, постоянных измерений и коррекции параметров. Новый подход, получивший название «квантовая ванна» или «квантовый резервуар», работает иначе: кубиты погружаются в общий поток запутанного излучения, и их состояния коррелируются практически автоматически.

Техническая реализация эксперимента

В эксперименте использовались два сверхпроводящих кубита на джозефсоновских переходах. К каждому из них по отдельному кабелю поступала одна часть пары взаимосвязанных микроволновых сигналов, которые создавал джозефсоновский параметрический преобразователь. Благодаря заранее существовавшей квантовой корреляции между потоками излучения запутанность передавалась от поля к кубитам.

• Системе не требовалось проводить постоянные измерения
• Не нужна была отборка только удачных попыток
• Обратная связь для коррекции состояния кубитов отсутствовала
• Процесс проходил автономно, пока на кубиты поступало излучение

Показатели и ограничения

Запутанное состояние возникало примерно за 300 наносекунд и сохранялось не менее 10 микросекунд при условии непрерывного поступления микроволнового излучения. Это означает, что внешний поток не просто создавал запутанность один раз, а постоянно поддерживал её, что значительно упрощает организацию длительной работы квантовой системы.

Однако степень запутанности оставалась сравнительно небольшой: учёным удалось передать кубитам около одной десятой квантовой связи, присутствовавшей в исходном излучении. Одной из главных причин стали потери сигнала в кабелях и других элементах установки. По этой причине технологию ещё предстоит развить, чтобы она составила конкуренцию двум традиционным методам запутывания кубитов.

Перспективы для распределённых квантовых компьютеров

В будущем новый метод может упростить создание распределённых квантовых компьютеров. Вместо одного большого процессора можно будет использовать несколько небольших квантовых модулей, соединённых потоками запутанных фотонов. Источник излучения сможет постоянно поддерживать общую квантовую связь между удалёнными кубитами. Для практического применения физикам потребуется решить три ключевые задачи: уменьшить потери в тракте, улучшить источники микроволнового излучения и научиться эффективно преобразовывать микроволновые фотоны в оптические, которые удобнее передавать на большие расстояния.