Команда молодых ученых Института естественных и точных наук Южно-Уральского государственного университета под руководством доктора физико-математических наук, профессора Сергея Подошведова предложила алгоритм генератора неклассического состояния света, которое называют «состояние кота Шрёдингера», очень большой амплитуды. Этот алгоритм играет важную роль для квантовой связи и квантовых вычислений в оптической области с использованием лазерных источников. Результаты работы были опубликованы в статье в одном из самых влиятельных научных журналов серии Nature Scientific Reports (Q1).
Кот жив или мертв?
Молодые ученые проводят интересные исследования в области квантовой механики в Лаборатории квантовой обработки информации и квантовых вычислений. Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика наноразмерных систем» Дмитрий Куц, аспирант Сергей Михеев и другие ученые активно работали на семинарах по различным направлениям квантовой механики. Одним из направлений была идея осуществления генерации неклассических состояний света. Ученые рассмотрели, какие условия должны быть созданы для работы с квантовой передачей информации и определили возможность успешного создания этих условий в реальности. Задача представляет интерес как с фундаментальной точки зрения (возможно ли такое), так и с прикладной, потому что световые сигналы способны передавать квантовую информацию с использованием запутанных (связанных) частиц. Ученые ЮУрГУ предложили алгоритм создания такого света, в котором фотоны находятся в состоянии кота Шрёдингера.
В 1935 году австрийский физик, один из создателей квантовой механики, Эрвин Шрёдингер провел мысленный эксперимент. Он предлагал представить запертого в коробке кота, жизнь которого зависит от распадающегося радиоактивного атома. Если атом распадется, сработает реле и уронит молоток на колбу с ядом, кот будет отравлен; если атом не распадется, кот останется жив. После открытия коробки экспериментатор может увидеть только одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив». До этого гипотетический кот и жив, и мертв одновременно.
Иллюстрация Шрёдингера описывает главный парадокс квантовой физики: частицы, такие как электроны, фотоны и даже атомы могут существовать в двух состояниях одновременно. Создание оптических элементов с использованием элементарных частиц для квантовых компьютеров является очень перспективным направлением. Хотя, скорее всего, квантовый компьютер будет реализован на основе нескольких физических систем, в том числе с использованием оптических кубитов.
В квантовых вычислениях состоянием кота Шрёдингера называется особое запутанное (связанное) состояние кубитов (quantum bit – наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере, может хранить ноль, единицу, ноль и единицу одновременно, или ни то, ни другое), при котором они все находятся в одинаковой суперпозиции всех нулей или единиц.
«Кубиты подвержены влиянию окружающей среды и требуют применения надежных вычислительных систем. Все это предъявляет очень строгие требования к физической системе, в которой реализованы кубиты и квантовые вентили, преобразующие входные состояния кубитов на выходные. Различные физические системы могут использоваться для осуществления разных квантовых протоколов. В частности, поскольку свет имеет максимально возможную скорость распространения и слабо взаимодействует с окружающей шумной средой, оптические системы ставятся в один ряд с атомными в разработке возможных конфигураций квантового компьютера», – поясняет Дмитрий Куц.
Суперпозиция обусловливает невероятную мощность квантовых компьютеров. Она же значительно усложняет вычисления. Дело в том, что кубиты должны не просто поддерживать свое состояние, но и взаимодействовать друг с другом. Ситуация значительно сложнее, если взаимодействовать должны десятки или сотни кубитов.
Новые шаги на пути к цели
Ученые намерены провести эксперименты по созданию детерминированного источника запутанного света, независимого от начальных условий. Создание источника запутанности по требованию – это важнейший элемент практической реализации всех квантовых протоколов, включая создание квантового компьютера. Известно, что потенциально квантовый компьютер может эффективно реализовывать трудноразрешимые алгоритмы, такие как быстрый выбор правильного решения из миллионов доступных или поиск несортированных данных, что не может быть эффективно выполнено компьютерами, работающими по классическим законам. Но для воплощения идеи квантового компьютера требуется эффективное выполнение универсального набора детерминированных операций над большим набором кубитов. Разнообразие возможных состояний кубита значительно увеличивает его емкость, а следовательно, и потенциальную вычислительную мощность компьютера.
«Как правило, экспериментаторы могут реализовать на практике очень ограниченное число полезных состояний. Реализация желаемого квантового состояния по требованию – это ключ к работе квантовых состояний и большого числа различных квантовых протоколов. По сути, квантовый компьютер – это и есть генератор требуемого выходного состояния, из которого извлекается информация посредством измерений. То же самое можно сказать, например, про протокол квантовой телепортации неизвестного состояния или, допустим, квантовый Интернет. Любое продвижение, будь то новый механизм или новый алгоритм в квантовой инженерии, шаг за шагом приближает человечество, наверное, к самой своей заветной мечте – реализации эффективного квантового компьютера и попытке взглянуть за пределы физического мира», – говорит Сергей Подошведов.
Хотя есть много предлагаемых подходов для оптических квантовых компьютеров, ни один из них не является полностью удовлетворительным, поскольку они довольно сложны или имеют ограниченное применение. Например, реализация простой логической операции потребует недопустимо большого количества дополнительных операций. Поэтому нельзя сказать, что проблема оптической квантовой обработки информации окончательно решена, и вопрос «Как эффективно использовать оптические ресурсы механизмы взаимодействия и подходящие состояния?» остается открытым. Квантовая инженерия состояний – это нерешенная проблема квантовой обработки информации.
Такие оптические состояния («кота Шрёдингера») способствуют снижению потерь при квантовой обработке информации, их можно создавать в любых средах и с большими амплитудами. Тем не менее, при работе с ними возникает ряд проблем. Например, нужно делать эти состояния стабильными, а квантовые операции должны проводиться очень быстро. Над решениями этих задач работают ученые всего мира.
Исследования в области цифровой индустрии являются одним из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета наряду с экологией и материаловедением.
ЮУрГУ – участник Проекта 5-100, призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.