Физики из Института науки и технологий Австрии впервые экспериментально продемонстрировали способ автоматически создавать и поддерживать квантовую запутанность между удаленными кубитами без постоянных измерений и активного управления. Для этого исследователи использовали общую среду из коррелированных микроволновых фотонов, которую они называют «квантовой ванной».
Квантовая запутанность позволяет двум или нескольким объектам сохранять особые корреляции, которые невозможно объяснить классической физикой. Для будущих квантовых компьютеров особенно важно научиться надежно связывать кубиты, расположенные в разных частях устройства или даже в отдельных вычислительных модулях, поскольку это может позволить создавать значительно более крупные системы.
До сих пор подобную связь обычно приходилось поддерживать активными методами. Один из подходов заключается в передаче специально контролируемого фотона от одного кубита к другому. В другом варианте оба кубита испускают фотоны, после чего исследователи измеряют их состояние и пытаются на основании результатов сформировать запутанность между источниками.
Недостаток таких схем заключается в необходимости многочисленных измерений, управления и отбора успешных событий. Даже при правильной настройке запутанность возникает далеко не при каждой попытке. Австрийская команда применила другой принцип: окружающая кубиты квантовая среда сама постоянно подталкивает их к нужному совместному состоянию.
В экспериментальной установке два изолированных кубита были подключены к единому источнику коррелированных микроволновых фотонов. Непрерывный поток таких частиц света формировал особое основное состояние системы, благодаря которому кубиты автоматически переходили в запутанное состояние и оставались в нем без постоянного внешнего вмешательства.
Важное преимущество нового подхода заключается в том, что созданная запутанность не исчезает сразу после короткого импульса или измерения. Квантовая среда постоянно восстанавливает необходимое состояние, поэтому запутанные кубиты остаются доступными для дальнейших операций даже на временах, превышающих характерное время жизни их собственных квантовых состояний.
Чтобы убедиться, что два кубита действительно находятся в нужном состоянии, ученые использовали квантовую томографию. Метод позволяет реконструировать состояние системы по большому количеству очень коротких измерений. В эксперименте продолжительность отдельных наблюдений составляла примерно от 20 до 80 наносекунд.
Работа стала экспериментальным подтверждением теоретической идеи, предложенной более 20 лет назад. Реализовать ее раньше мешало то, что первоначальные расчеты предполагали практически идеальные условия, которые сложно воспроизвести в лаборатории. Новая установка позволила определить несколько факторов, ранее препятствовавших созданию подобной автономной среды.
Пока эффективность технологии остается ограниченной. В нынешней версии устройства кубитам удается передать около 10% доступной в квантовой среде запутанности. Существующие активные методы в этом отношении пока работают лучше, поэтому новый подход нельзя рассматривать как готовую замену используемым сегодня схемам.
Тем не менее авторы считают, что принцип можно масштабировать и использовать для одновременной синхронизации большего количества удаленных кубитов. Особенно перспективным он может оказаться в модульных квантовых компьютерах, где отдельные небольшие процессоры необходимо объединять в единую систему, не создавая чрезмерно сложную инфраструктуру управления.
Для эксперимента использовались микроволновые фотоны, поскольку они хорошо подходят для работы со сверхпроводящими кубитами и уже широко применяются в современных квантовых процессорах. В дальнейшем похожие идеи могут быть адаптированы и для оптических фотонов, способных переносить квантовую информацию на большие расстояния через оптоволокно.
Если эффективность метода удастся существенно повысить, «квантовая ванна» может превратиться в своеобразный автономный механизм поддержания связей между отдельными частями квантового компьютера. Вместо того чтобы постоянно создавать запутанность по команде, система сможет хранить ее как постоянно доступный вычислительный ресурс и использовать тогда, когда это потребуется.