Надёжное создание квантовых состояний, особенно тех, которые включают несколько частиц, имеет решающее значение для развития различных квантовых технологий, включая квантовые компьютеры, датчики и системы связи. К таким коллективным квантовым состояниям относятся так называемые состояния Дике и Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ) — многочастичные запутанные состояния, которые можно использовать для точных измерений, исправления ошибок, совершаемых квантовыми компьютерами, и обеспечения связи между удалёнными устройствами с использованием квантово-механических эффектов.
Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон и Копенгагенского университета недавно представили новую стратегию эффективного создания этих запутанных состояний в оптическом резонаторе — структуре, используемой для улавливания и усиления света. Их подход, описанный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, основан на использовании инструмента квантовых вычислений, известного как алгоритм поиска Гровера.
«Запутанные состояния являются важным ресурсом в квантовой информации, но их создание было ограничено, поскольку предыдущие предложения либо имели низкую вероятность успеха, либо были слишком подвержены ошибкам», — сказал Омар Нагиб, первый автор статьи. «Мы предлагаем эффективную схему создания запутанных состояний многих атомов внутри резонатора».
В рамках своего недавнего исследования Нагиб и его коллеги попытались изучить возможность создания запутанных состояний с помощью алгоритма поиска Гровера. Это квантовый алгоритм, разработанный Ловом Гровером в 1996 году, предназначенный для поиска определённого «помеченного» элемента в несортированной базе данных быстрее, чем классические алгоритмы.
«Мы показали, что алгоритм Гровера, квантовый алгоритм для неструктурированного поиска, можно адаптировать для быстрого создания класса важных запутанных состояний, называемых состояниями Дике, GHZ и состояниями кота Шрёдингера», — пояснил Нагиб. «Хотя алгоритм Гровера обычно сложно реализовать, мы показали, что его можно эффективно реализовать в резонаторе, содержащем атомный ансамбль, путём многократного отражения одиночных фотонов от резонатора».
Чтобы продемонстрировать потенциал своей предложенной стратегии, исследователи изучили возможность использования её для создания различных запутанных состояний в системе, состоящей из атомов внутри оптического резонатора. В итоге они теоретически показали, что можно реализовать различные состояния, включая состояния Дике, GHZ и состояния кота Шрёдингера.
«Любое состояние Дике с 500 атомами или менее можно создать, воздействуя на резонатор не более чем восемью одиночными фотонами, что делает этот подход масштабируемым», — сказал Нагиб. «Предложенная схема также является общей и реализуемой в других физических системах, таких как сверхпроводящие кубиты в резонаторе, захваченные ионы и нейтральные (ридберговские) атомы».
Эта недавняя работа Нагиба и его коллег может открыть новые возможности для реализации квантовых состояний и, таким образом, для разработки широкого спектра тщательно разработанных квантовых устройств. В будущем она может вдохновить другие исследовательские группы на адаптацию алгоритма поиска Гровера для создания желаемых квантовых состояний в различных системах, включая системы, состоящие из атомов, сверхпроводящих кубитов и захваченных ионов.
«Настоящее предложение требует резонаторов с небольшими потерями, что экспериментально сложно, и поэтому было бы интересно выяснить, можно ли ослабить это требование путём модификации схемы», — добавил Нагиб. «Также было бы интересно определить, можно ли расширить настоящую работу для эффективного создания более широкого класса запутанных состояний».
© 2025 Science X Network
More from Quantum Physics