Срочные новости раздела
Один атом излучил четырнадцать запутанных фотонов

Один атом излучил четырнадцать запутанных фотонов

Немецкие физики сообщили об успешной генерации запутанных многокубитных состояний на фотонах с помощью одиночного атома, помещенного в резонатор. В создание кластерных состояний им удалось вовлечь 12 фотонов, а состояний Гринбергера — Хорна — Цайлингера — 14 фотонов. Частота генерации и детектирования запутанных фотонных цепочек на основе предложенной схемы оказалась на два порядка выше, чем в методе на основе спонтанного параметрического рассеяния.

© Philip Thomas et al. / Nature, 2022

Одним из направлений квантовой информатики стало развитие так называемых однонаправленных квантовых вычислений. От более традиционных квантовых вычислительных схем их отличает работа не с вентилями, которые как-либо унитарно (обратимо, без потери когерентности) меняют состояние двух или более кубитов, а с измерениями, то есть необратимым коллапсом волновых функций. Ключом к использованию этой техники остается создание и поддержание запутанных многокубитных состояний.

Несмотря на то, что физики уже умеют запутывать одновременно большое количество кубитов, сделано не так много успешных попыток реализовать с их помощью однонаправленные вычисления. Довольно перспективными в этом плане выглядят оптические платформы, которые используют в качестве кубитов фотоны. Традиционный способ запутывать фотоны — это спонтанное параметрическое рассеяние с понижением частоты (spontaneous parametric down-conversion, SPDC). Этот метод, однако, вероятностный, что привносит затруднения при масштабировании вычислений до большого числа кубитов.

Работа физиков из Института квантовой оптики Общества Макса Планка под руководством Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe) была направлена на решение этой проблемы. Они взяли на вооружение детерминированный подход к генерации запутанных состояний, основанный на единственном излучателе, испускающем цепочку запутанных фотонов. Существующие реализации на ансамблях атомов и квантовых точках позволяют запутать не очень большое число фотонов (до шести), чего недостаточно для превосходства над SPDC-методом. Группа Ремпе же сообщила о том, что им удалось преодолеть эту планку.

В качестве источника фотонов физики использовали одиночный атом рубидия, помещенный в середину высокодобротного резонатора. Они прикладывали к нему небольшое магнитное поле, расщепляющее уровни атома на систему зеемановских подуровней. С помощью дополнительных лазерных лучей ученые накачивали и манипулировали состоянием атома, заставляя его излучать запутанные с ним фотоны. Скореллированность фотонов они проверяли по согласованности их поляризаций.

Схема запутывания фотона и атома основана на том, что изменение проекции mF полного орбитального момента атома F дарит фотону круговую поляризацию, направление которой зависит от знака этого изменения. В эксперименте авторы вынуждали атом рамановски излучать из состояния с |F=2, mF=0> в состояние |F=1, mF=±1>. Поскольку оба состояния равнозначны, атом переходил в состояние суперпозиции, запутываясь с фотоном, чья круговая поляризация также оказывалась неопределенной. На следующем шаге, если было необходимо, они меняли местами состояния с разным знаком проекции, и повторяли цикл уже на переходах между |1,±1> и |2,±2>. Таким образом, поляризация каждого следующего фотона, была скоррелирована с поляризацией предыдущего. Всего физики добились цепочек из 12 запутанных фотонов для кластерных состояний и 14 — для состояний Гринбергера — Хорна — Цайлингера.

Чтобы понять, насколько эффективно происходит рождение фотонов в их установке, физики строили зависимость того, насколько часто рождается полная цепочка кубитов, от ее длины. В результате они выяснили, что средняя эффективность генерации и детектирования одного фотона составляет 43,18 процента. Для 14 фотонов это соответствует одному полному циклу работы с цепочкой в три минуты, что на два порядка лучше, чем достижимо с помощью SPDC.

Главными ограничениями эффективности по мнению авторов стали оптические потери, конечная кооперативность и несовершенные рамановские импульсы. В силу экспоненциального закона скорости генерации полных цепочек, даже небольшие технические улучшения эффективности смогут в будущем достичь пороговых значений отказоустойчивости при квантовой коррекции ошибок. Кроме того, предложенная схема может быть масштабирована с помощью увеличения число атомов, что существенно расширит размерность пространства фотонных состояний.

Статья опубликовано в журнале NatureИсточник: Марат Хамадеев nplus1.ru

Источник: sci-dig.ru

Последние записи - Наука

самые читаемые новости

#Наука

Международная группа палеонтологов во главе с учеными из Технологического института Вирджинии (США) описала нового зароподоморфа и дала ему имя. Возраст скелета динозавра, который сохранился почти
подробнее...

Физики из 13 стран рассказали о результатах исследования относительной частоты рождения короткодействующих двухнуклонных корреляций в легчайших зеркальных ядрах, содержащих по три нуклона. Данные были
подробнее...

Коллектив учёных из Сколтеха опубликовал серию из трёх работ, посвящённых разным аспектам проникновения морской соли и других солей в мёрзлый грунт, содержащий газовые гидраты — льдоподобные
подробнее...

Группа ученых из Санкт-Петербурга показала, как работают гены на хромосомах типа ламповых щеток — особой формы хромосом, которые появляются в яйцеклетках кур. Оказалось, что с хромосом происходит
подробнее...

Биологи из Университета Флориды и Нью-Йоркского университета (США) определили, что муравьиные королевы значительно увеличивают выработку инсулина, что способствует развитию яиц. Но матки также
подробнее...

Коллектив зоологов из Чили, Аргентины, Германии и США опубликовал описание  нового вида птиц , обитающего на островах Диего-Рамирес, расположенных в проливе Дрейка примерно в 100 км к юго-западу от
подробнее...

Исследователи из Йельского университета (США) обнаружили, что воздействие света на нанопроволоки, созданные биопленочными сообществами бактерий, может увеличить электропроводность в этих природных
подробнее...

Китайские физики заставили бозе-конденсат атомов распределиться по синтетической импульсной решетке, полученной с помощью встречных лазеров с различным набором частот. Такая система понадобилась им,
подробнее...

Ученые физического факультета МГУ вместе с коллегами из Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН и Национального исследовательского университета МИЭТ придумали способ кодировать
подробнее...

Ученые МГУ предложили новую молекулярную систему для управления активностью генов. В ее основе лежит искусственно сконструированный комплекс на базе вирусного фермента, способный присоединяться к
подробнее...

В настоящее время науке известны онкогенные мутации в более чем 300 генах, и зачастую возникает необходимость ранжировать их, чтобы определить мишени для основного воздействия при лечении. Но в
подробнее...

Новое исследование на мышах — и небольшое испытание, уже проведенное на людях — открывает перспективы лечения, которое поможет уменьшить когнитивные проблемы у людей с синдромом Дауна.
подробнее...

Испанские исследователи из Университета Овьедо изучили геном медузы Turritopsis dohrnii, известной как «бессмертная медуза». В отличие от родственных видов, эта медуза способна при определенных
подробнее...

Российские ученые предложили микробиологический метод, позволяющий эффективно синтезировать урсодезоксихолевую кислоту — препарат, который широко используется при лечении различных заболеваний печени.
подробнее...

Физики-теоретики обнаружили, что в концентрических кольцах фотонов, которые вращаются вокруг черных дыр, есть конформная симметрия — внешние кольца являются увеличенной копией внутренних. Для этого
подробнее...

Сотрудники биологического факультета МГУ создали первую полную электростатическую карту поверхности SARS-CoV-2. Она показывает распределение зарядов на компонентах оболочки коронавируса и позволяет
подробнее...

Необычный эффект, полученный индийскими коллегами в плазменно-пылевой системе, объяснили ученые Московского физико-технического института и Объединенного института высоких температур РАН. Эксперимент
подробнее...

Одной из первых планирующих рептилий был целурозавравус, который жил на территории современного Мадагаскара в конце пермского периода. Палеонтологи переописали этот вид и подтвердили, что образом
подробнее...