Оптические квантовые компьютеры привлекают внимание как технология вычислений следующего поколения, отличающаяся высокой скоростью и масштабируемостью. Однако точная характеристика сложных оптических процессов, в которых несколько оптических мод взаимодействуют для генерации квантовой запутанности, считалась чрезвычайно сложной задачей.
Исследовательская группа KAIST преодолела это ограничение, разработав высокоэффективную методику, которая позволяет полностью охарактеризовать сложные многомодовые квантовые операции в эксперименте. Эта технология, которая может анализировать крупномасштабные операции с меньшими объёмами данных, представляет собой важный шаг на пути к масштабируемым квантовым вычислениям и технологиям квантовой связи.
Профессор Ён-Сик Ра из физического факультета возглавил исследовательскую группу, разработавшую технику многомодовой квантовой томографии процессов, способную эффективно определять характеристики нелинейных оптических квантовых процессов второго порядка, которые необходимы для оптических квантовых вычислений.
Исследование опубликовано в Nature Photonics.
Как работает томография
Томография — это метод, похожий на медицинскую компьютерную томографию (КТ), который реконструирует невидимую внутреннюю структуру по различным измерениям. Аналогично, для квантовых вычислений требуется метод, который реконструирует внутреннюю работу квантовых операций, используя различные данные измерений.
Чтобы превзойти обычные компьютеры, квантовый компьютер должен быть способен одновременно манипулировать большим количеством квантовых единиц (кубитов или кумодов). Однако по мере увеличения количества кубитов или квантовых оптических мод (кумодов) ресурсы, необходимые для томографии, растут экспоненциально, что делает существующие технологии неспособными анализировать системы даже с пятью или более оптическими модами.
С помощью новой методики исследовательская группа теперь может чётко определить, что на самом деле происходит внутри оптического квантового компьютера, как если бы проводилась КТ.
Внутри квантового компьютера несколько оптических мод взаимодействуют сложным и запутанным образом. Исследовательская группа ввела новый математический фреймворк, который точно описывает многомодовые нелинейные оптические квантовые процессы второго порядка.
Этот метод анализирует, как входные состояния изменяются при заданной операции, используя два ключевых компонента:
* «Матрица усиления», которая описывает, как преобразуются средние поля света;
* «Матрица шума», которая фиксирует шум или потери, введённые из-за взаимодействия со средой.
Вместе эти компоненты создают «карту квантового состояния», которая позволяет точно и одновременно наблюдать как идеальную квантовую эволюцию света (унитарные изменения), так и неизбежный шум (неунитарные изменения), присутствующий в реальных устройствах. Это приводит к гораздо более реалистичной характеристике того, как на самом деле работает оптический квантовый компьютер.
Чтобы определить, как работает квантовая операция, исследовательская группа ввела несколько типов квантовых состояний и наблюдала, как изменились выходные данные. Затем они применили статистический метод, известный как оценка максимального правдоподобия, чтобы реконструировать внутреннюю операцию, которая наиболее точно объясняет собранные данные, удовлетворяя при этом необходимым физическим условиям.
Используя этот подход, исследовательская группа значительно сократила объём необходимых данных измерений. Существующие методы быстро становятся непрактичными — требуют огромных массивов данных даже для систем с чуть более чем несколькими модами и обычно ограничивают анализ примерно пятью модами. Новая методика преодолевает это узкое место.
Команда успешно провела первую в мире экспериментальную характеристику крупномасштабной оптической квантовой операции с участием 16 мод, что стало беспрецедентной вехой в этой области.
Профессор Ён-Сик Ра заявил: «Это исследование значительно повышает эффективность квантовой томографии процессов, основополагающей технологии, необходимой для квантовых вычислений. Приобретённая технология будет в значительной степени способствовать повышению масштабируемости и надёжности различных квантовых технологий, включая квантовые вычисления, квантовую связь и квантовые датчики».
Как генерируется большая часть видимой массы во Вселенной: эксперименты исследуют возникновение массы адронов
В глубине материи некоторые числа не складываются. Например, хотя протоны и нейтроны состоят из кварков, фундаментальных строительных блоков природы, связанных вместе глюонами, их массы намного больше, чем у отдельных кварков, из которых они образованы. Это приводит к центральной загадке: почему?
В теории сильного взаимодействия, известной как квантовая хромодинамика (КХД), кварки приобретают свою голую массу через механизм Хиггса. Давно предполагаемый процесс был подтверждён экспериментами на Большом адронном коллайдере CERN в Швейцарии и привёл к Нобелевской премии Питера Хиггса в 2013 году.
Однако остаётся неизбежным вопросом, что «этот механизм вносит вклад в измеренные массы протона и нейтрона на уровне менее 2%», — сказал Виктор Мокеев, научный сотрудник и феноменолог в Национальном ускорительном центре Томаса Джефферсона Министерства энергетики США.
«Это ясно демонстрирует, что доминирующая часть массы реальной материи генерируется другим механизмом, а не Хиггсом. Остальное возникает из-за эмерджентных явлений», — сказал Мокеев.
Учёные в лаборатории Джефферсона теперь получают более детальное понимание этого процесса генерации массы, чем когда-либо прежде.
Ответ на вопрос, что придаёт протонам и другим сильно взаимодействующим частицам (вместе называемым адронами) их дополнительную «массу», лежит в динамике КХД. Через КХД сильное взаимодействие генерирует массу из энергии, хранящейся в полях сильно взаимодействующих кварков и глюонов. Это называется возникновением массы адронов (EHM).
За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в понимании доминирующей части видимой массы Вселенной. Это обусловлено исследованиями зависимости расстояния (или импульса) от сильного взаимодействия в рамках подхода на основе КХД, известного как континуальный метод Швингера (CSM).
Объединяя CSM и эксперименты с помощью феноменологии, физики проанализировали почти 30-летние данные, собранные в лаборатории Джефферсона. Комплексные усилия дали учёным наиболее детальный взгляд на механизмы, ответственные за EHM.
«Это больше, чем то, что вы увидите в одном эксперименте или наборе экспериментов», — сказал Дэниел Карман, экспериментальный физик-ядерщик в лаборатории Джефферсона. «Это результат того, что мы делаем в лаборатории Джефферсона на протяжении десятилетий. У нас ещё много работы впереди, но это знаменует собой важную веху на этом пути».
КХД описывает динамику наиболее элементарных составляющих материи, известных на данный момент: кварков и глюонов. Через процессы КХД генерируется вся адронная материя. Это включает протоны, нейтроны, другие связанные системы кварк-глюон и, в конечном счёте, все атомные ядра. Отличительной чертой сильного взаимодействия является глюонное взаимодействие.
«Без глюонного взаимодействия Вселенная была бы совершенно другой», — сказал Мокеев. «Оно создаёт красоту через различные свойства частиц и делает реальные адронные явления через эмерджентную физику».
Из-за этого свойства сильное взаимодействие быстро эволюционирует с расстоянием. Эта эволюция динамики сильного взаимодействия описывается в рамках подхода CSM. На расстояниях, сравнимых с размером адрона (~10⁻¹³ см), его соответствующими составляющими являются уже не голые кварки и глюоны КХД. Вместо этого появляются одетые кварки и одетые глюоны, когда голые кварки и глюоны окружены облаками сильно связанных кварков и глюонов, подвергающихся непрерывному рождению и аннигиляции.
В этом режиме одетые кварки приобретают динамически генерируемые массы, которые эволюционируют с расстоянием. Это обеспечивает естественное объяснение EHM: переход от почти безмассовых голых кварков (с массами всего в несколько МэВ) к полностью одетым кваркам с массой примерно 400 МэВ. Сильные взаимодействия между тремя одетыми кварками протона генерируют его массу около 1 ГэВ, а также массы его возбуждённых состояний в диапазоне 1,0–3,0 ГэВ.
Это поднимает вопрос: можно ли прояснить EHM, сопоставив зависимость импульса от массы одетого кварка из экспериментальных исследований протона и его возбуждённых состояний?
Ускорительная установка непрерывного электронного пучка (CEBAF) в лаборатории Джефферсона — это объект Министерства энергетики США, который поддерживает одно из крупнейших в стране сообществ научных пользователей. Он обеспечивает высокоинтенсивные электронные и фотонные пучки с энергиями до 12 ГэВ на ядерные мишени в четырёх экспериментальных залах лаборатории Джефферсона.
Внутри экспериментального зала B находится трёхэтажный детектор: спектрометр большого приёма CEBAF для 12 ГэВ (CLAS12). Обновлённый по сравнению с его предшественником на 6 ГэВ (CLAS), CLAS12 уникален своей способностью идентифицировать частицы, образующиеся при рассеянии электронов на протонах, охватывая широкий диапазон углов излучения частиц.
Исследования, проведённые на основе данных, собранных с помощью CLAS и CLAS12, позволяют раскрыть структуру этих состояний. Эта экспериментально полученная информация может быть напрямую сопоставлена с предсказаниями CSM, которые охватывают зависящую от расстояния эволюцию кварков и глюонов для детальной проверки парадигмы EHM.
Эти исследования, сравнивающие эксперимент с теорией, убедительно демонстрируют, что одетые кварки с динамически генерируемыми массами являются активными степенями свободы, лежащими в основе структуры протона и его возбуждённых состояний. Они также подтверждают, что экспериментальные результаты из лаборатории Джефферсона могут быть использованы для оценки механизмов, ответственных за EHM.
«Такая работа требует синергии между экспериментом, феноменологией и теорией», — сказал Карман. «Вам нужны все эти разные участники, работающие вместе в тесном сотрудничестве, чтобы раскрыть физику, которую мы пытаемся раскрыть».
«Мы видим гораздо больше работы впереди», — сказал Мокеев.
Эксперименты эпохи 6 ГэВ на CEBAF исследовали диапазон импульсов одетого кварка (или расстояния), в котором генерируется примерно 30% массы адронов. Данные текущей 12-ГэВ эры CEBAF — всё ещё собираются и анализируются — расширяют этот охват примерно до 50%. Будущие эксперименты с более высокоэнергетическим электронным пучком позволят охватить всю область расстояний, где доминирует часть массы адронов и структуры.