Группа ученых физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и Российского квантового центра разработала новую теоретическую схему для значительного сокращения затрат фотонных ресурсов при создании сложных запутанных квантовых состояний. Это важное достижение на пути к масштабированию фотонных квантовых вычислений.
Линейно-оптические системы считаются перспективной платформой для квантовых вычислений. Для создания масштабируемых вычислительных схем требуются многочастичные запутанные состояния, которые служат основой для квантовых операций. Квантовая запутанность – это явление, при котором состояния нескольких частиц становятся настолько взаимосвязанными, что описать систему через состояния отдельных частиц невозможно.
Для создания крупных запутанных состояний в линейно-оптических системах используются операции слияния, объединяющие два небольших запутанных состояния. Однако без дополнительных фотонных ресурсов вероятность успешного слияния составляет всего 50%. Для повышения этой вероятности в существующих методах применяются вспомогательные запутанные состояния, подготовка которых сама по себе является вероятностным процессом и требует дополнительных фотонов и оптических элементов.
Ученые с физфака МГУ и РКЦ предложили альтернативный подход. Вместо сложных запутанных состояний они использовали дополнительные одиночные фотоны. В новой схеме четыре вспомогательных фотона подаются в интерферометр вместе с основными кубитами, что увеличивает вероятность успешного слияния до 62,5%.
Исследование работы предложенной линейно-оптической схемы показало, что некоторые исходы, ранее считавшиеся неудачными, могут быть преобразованы в успешные благодаря дополнительной процедуре дистилляции. Это позволяет повысить вероятность успешного слияния до 75%.
«Наше исследование предлагает схему, которая значительно сокращает затраты фотонных ресурсов при генерации крупномасштабных квантовых состояний. Например, при создании 24‑кубитного запутанного ресурсного состояния для квантовых вычислений в модели FBQC наш метод уменьшает необходимое количество одиночных фотонов более чем в восемь раз по сравнению с предыдущими схемами», – объясняет аспирант физического факультета и младший научный сотрудник ЦКТ МГУ Александр Мелкозеров.
Расчеты демонстрируют, что увеличение вероятности успеха отдельных операций слияния и использование более простых вспомогательных ресурсов может существенно повысить эффективность при создании больших фотонных состояний. Это приближает теоретическую базу фотонных квантовых вычислений к требованиям практической реализации крупномасштабных квантовых алгоритмов.
Работа получила поддержку от госкорпорации «Росатом» в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям. А. Мелкозеров является стипендиатом программы развития теоретической физики и математики «БАЗИС».
Источник: msu.ru
распечатать статью