Три фотона вместо двух: физики превзошли идеальный тест для квантовых компьютеров
Новая схема извлекает больше информации из каждого измерения, требует на 20% меньше повторений, чем стандартный эксперимент и продолжает работать при потере фотонов
Физики из Университета Твенте (Нидерланды) улучшили стандартный способ проверки того, насколько одинаковы отдельные фотоны. Вместо привычной схемы, где одновременно сравниваются 2 частицы, они заставили интерферировать сразу 3 фотона. Это позволяет получить больше информации из каждого измерения и почти на 20% сократить число повторений, необходимых для достижения той же точности. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Для фотонных квантовых технологий важно, чтобы используемые фотоны были максимально похожи друг на друга. На практике полностью идентичными они не бывают, поэтому перед проведением вычислений необходимо проверить степень их совпадения. С 1987 года для этого широко используется эксперимент Хонга — У — Мандела (англ. Hong-Ou-Mandel effect): 2 фотона направляют на светоделитель — оптический элемент, который разделяет световой поток. Если фотоны неразличимы по своим параметрам, то они из-за квантовой интерференции покидают светоделитель вместе.
Проблема такого подхода становится заметной при масштабировании фотонных квантовых систем. Старый тест сравнивает фотоны попарно. Для 10 фотонов необходимо проверить уже 45 различных пар, а каждое сравнение требует тысяч повторений: квантовый эксперимент каждый раз выдаёт только один конкретный результат, и лишь после накопления большого числа измерений можно определить статистическое распределение исходов. Именно оно показывает, насколько хорошо фотоны совпадают.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Учёные из Твенте добавили за первым светоделителем второй, благодаря чему к взаимодействию могут подключаться сразу 3 фотона. В результате одна экспериментальная конфигурация позволяет извлекать информацию сразу о нескольких попарных совпадениях. Это использует квантовую интерференцию, которая возникает при совместном прохождении фотонов через оптическую схему, и примерно на 20% уменьшает число повторений, необходимых для получения заданной точности.
Чтобы проверить, действительно ли новая схема извлекает максимально возможный объём информации, физики использовали матрицу Фишера — математический инструмент, который показывает, сколько информации конкретное измерение содержит о неизвестном параметре. Для 3 фотонов расчёты доказали оптимальность предложенной конфигурации: при заданных условиях получить больше информации с помощью другого измерения невозможно.
При этом преимущество не исчезает из-за реальных потерь фотонов. Для фотонных систем это особенно важно: вероятность потери частицы увеличивается с числом одновременно используемых фотонов. Однако в новой схеме потеря одного из 3 фотонов не приводит к полной потере измерения. Оставшиеся 2 автоматически проходят через часть установки и дают обычный двухфотонный тест Хонга — У — Мандела. Таким образом, одна и та же схема одновременно обеспечивает улучшенное трёхфотонное измерение и стандартное двухфотонное.
Эксперимент подтвердил преимущество новой методики даже при сравнении с идеальным двухфотонным тестом, в котором вообще нет шумов и потерь. Более того, согласно расчётам авторов, преимущество сохраняется при любой ненулевой эффективности передачи фотонов через установку, что делает метод пригодным для реальных экспериментальных систем. Схему можно расширить на 4 или 5 фотонов, хотя для такого числа частиц пока что не показано, что она останется оптимальной.
Сейчас метод прежде всего предназначен для лабораторий квантовой оптики, где требуется регулярно проверять качество источников фотонов. В дальнейшем такую процедуру можно использовать как этап калибровки или встроенный диагностический модуль в масштабных фотонных квантовых компьютерах, где число одновременно используемых фотонов может достигать сотен.