Квантове перетворення даних відкриває шлях до збільшення масштабу архітектур квантових технологій
11. лютий, 2023 в 10:31
Дослідникам вдалося створити перший конвертер між двома різними типами квантово-бітових кодувань — аналог конвертерів для класичної інформації, але призначений для різних типів квантових даних. Цей високоякісний перезапис інформації показує шлях до подолання розриву між безліччю різних платформ, що конкурують у перегонах за квантові обчислення, і може забезпечити взаємозв'язок майбутніх мереж.
У лютневому номері журналу Nature вчені повідомили про першу успішну демонстрацію вірного перетворення квітів у кодування. Квантова сфера дає змогу використовувати два різні способи зберігання та обробки інформації — дискретні та безперервні змінні.
Подібно до класичних аналогових або цифрових кодувань інформації, вони є кращими для певних завдань і платформ. Дослідники знайшли спосіб перевести один в інший дуже різні смаки квантової інформації й тим самим підтвердили можливість з'єднання різних квантових пристроїв.
У перегонах за квантовими обчисленнями зараз розробляється багацько платформ, що спираються на різні квантові системи, такі як фотони, нейтральні атоми, іони, надпровідники та напівпровідники. Для всіх цих систем існує кілька типів кодування, вибір яких залежить від конкретних додатків і наявних ресурсів. Розв'язання цієї неоднорідності у квантових мережах є актуальною проблемою. Це дасть змогу об'єднати найкращі риси кожної з них для створення більш надійних та ефективних мереж.
Розв'язання проблеми неоднорідності на ранніх етапах розвитку квантових мереж може запобігти проблемам сумісності та забезпечити безперешкодну інтеграцію та взаємозв'язок різних квантових систем у майбутньому. Це завдання вимагає використання квантового кодувального перетворювача — пристрою, який зберігає крихкий кодований сигнал квантової інформації, змінюючи при цьому основу, на якій він записаний.
Квантове перетворення бітів — складна задача. Прямим способом створення конвертера був би вимір інформації, що зберігається в одному кодуванні, і перестворення цієї інформації в іншому кодуванні. На жаль, квантова механіка і так звана теорема про відсутність клонування не дозволяють виконати цю операцію для довільної інформації.
У певному сенсі, ця незручність є замаскованим благословенням, оскільки з неї черпається сила квантової криптографії. Проте, це змусило команду LKB піти іншим шляхом для створення конвертера: використовувати квантову заплутаність.
Заплутаність описує некласичні кореляції між квантовими системами. Ейнштейн описав її як "моторошну дію на відстані". Ця моторошна дія, яка спочатку викликала велике збентеження у спільноті, тепер є основою багатьох пропозицій у спільноті квантових досліджень. Вона є головним героєм Нобелівської премії з фізики за 2022 рік і серцем нинішньої квантової революції.
"Насправді, друга квантова революція, також відома як ера квантових технологій, зумовлена здатністю використовувати і контролювати заплутаність на квантовому рівні. Здатність створювати, маніпулювати і поширювати заплутаність відкриває двері для багатьох нових застосувань і технологій, які не можуть бути досягнуті тільки за допомогою класичних систем", - стверджує Том Даррас, перший автор дослідження.
Реалізацію квантового перетворювача можна розбити на три основні етапи. По-перше, необхідно створити ключовий ресурс - сплутаність. По-друге, вхідний кубіт відправляється в конвертер. І нарешті, проводиться спеціальний вимір, званий "виміром стану Белла", у результаті якого вхідна інформація телепортується на вихідний кубіт. У цьому процесі, в сильному контрасті з іншими протоколами телепортації, кубіти переписуються в іншу основу.
Для створення всіх ресурсних станів паризькі дослідники використовували високоефективні нелінійні оптичні джерела, звані оптичними параметричними осциляторами, які видають однофотонні або оптичні котячі стани високої чистоти під час настання події, залежної від обраного кристала. Вони також використовували високоефективні надпровідні детектори одиночних фотонів.
Для успіху цього процесу необхідний дуже специфічний вид ресурсної оптичної заплутаності - "гібридний заплутаний стан" між так званим дискретно-змінним кубітом і безперервно-змінним кубітом Шредінгера. Щоб забезпечити вимірювання стану Белла, однофотонна частина гібридної заплутаності інтерферує з вхідним кубітом, після чого відбувається посилене однофотонне детектування. Для перевірки вихідний кубіт характеризується за допомогою процесу, відомого як "квантова томографія", для обчислення вірності між вхідним і вихідним кубітом, типового методу оцінки якості процесу. Перетворення вище класичної межі було підтверджено для будь-якого вхідного кубіта.
"Успіх цього процесу є важливою віхою для інфраструктур квантових технологій. Щойно ми зможемо з'єднувати квантові пристрої, можна буде будувати складніші й ефективніші мережі", - каже Беата Асенбек, одна з провідних авторів статті. "Дивно думати, що за технологій лише десятирічної давності це завдання було б практично нездійсненним. Це дуже захопливий час, коли ми бачимо, що розвиток нашого фундаментального розуміння квантової області розширює наші технологічні межі".
Джерело: Сорбонський університет.