В важном достижении для квантовых вычислений исследователи в Пекине успешно запутали два различных типа кубитов, используя одну лазерную систему. Этот шаг вперёд может сигнализировать о трансформационной эре в квантовых вычислениях, позволяя машинам выполнять задачи, которые выходят за рамки возможностей современных компьютеров.
Результаты были опубликованы в статье "Экспериментальная реализация прямых запутывающих ворот между двойными кубитами" в журнале Physical Review Letters. Ведущий автор Люмин Дуань отметил: "Этот метод сокращает затраты и сложность квантовых схем, устраняя ненужные преобразования между различными типами кубитов."
Кубиты, основные единицы информации в квантовых вычислениях, могут одновременно находиться в нескольких состояниях благодаря суперпозиции. Однако не все кубиты одинаковы. Двойные кубиты объединяют два различных квантовых состояния в одной системе, увеличивая их универсальность и снижая уровень помех.
Традиционно квантовые системы используют различные виды ионов для минимизации шума между кубитами, что усложняет конструкцию. В отличие от этого, двойные кубиты кодируются внутри одного иона, как сверхтонкие уровни энергии иона Ba-137, что позволяет выполнять операции с меньшим количеством оборудования и, что более важно, с меньшим числом ошибок.
Как заявили исследователи, "наша техника позволяет уменьшить затраты на оборудование, так как мы используем единую лазерную систему с длиной волны 532 нм для запутывания обоих типов кубитов с помощью переходов Рамана." Эксперимент проводился с ионами Ba-137 в ловушке, охлажденной близко к основному состоянию с помощью методов, таких как Доплеровское охлаждение. Кубиты кодировались в двух различных уровнях энергии: сверхтонкие состояния S1/2 и D5/2.
Для запутывания кубитов команда разработала лазерную систему с несколькими частотными компонентами, которые могли одновременно возбуждать оба типа кубитов. Этот процесс, в сочетании с коллективными колебаниями ионов, действовал как "квантовый мост", который создавал запутанность. Полученное состояние Белла достигло точности 96,3%, что сопоставимо с традиционными методами для кубитов одного типа.
Этот метод революционен, так как исключает необходимость преобразования кубитов между разными типами перед их запутыванием — процесс, который ранее считался необходимым, но неэффективным. "Мы смогли создать запутывающие ворота как для кубитов двойного типа, так и для одинаковых кубитов с аналогичной эффективностью, что доказывает отсутствие фундаментальных ограничений для применения этого метода в реальных квантовых схемах", — заявили исследователи.
Люмин Дуань сообщил, что "в будущем мы планируем использовать эту технику для квантового обнаружения промежуточных состояний в схемах коррекции ошибок, а также для создания узлов квантовых сетей на основе ионов в ловушках."
Ученые также планируют оптимизировать оптические пути и внедрить более сложные методы стабилизации. Это повысит точность запутывающих ворот и расширит их применимость для более масштабных систем. Важно, что эта техника может быть интегрирована в существующие архитектуры квантовых вычислений без значительных изменений, делая её практичным решением для масштабирования квантовых технологий.