Науковці розробили новий метод відновлення квантових властивостей заплутаних станів

Міжнародна група науковців із Шаньдунського університету в Китаї та Національного університету Чен Кун у Тайвані досягла значного прогресу в галузі квантових технологій, розробивши масштабований підхід до відновлення квантових властивостей із багатовимірної заплутаності.

Квантова заплутаність є ключовим ресурсом для квантових технологій, що являє собою особливий зв'язок між частинками, при якому вимірювання стану однієї частинки миттєво визначає стан іншої, незалежно від відстані між ними. Однак цей квантовий стан надзвичайно вразливий до шуму — випадкових взаємодій із навколишнім середовищем, які можуть погіршити його корисні властивості.

Дослідники реалізували важливий крок у подоланні цієї проблеми, застосувавши метод однокопійної локальної фільтрації (ScLF). «Підготовка та маніпулювання квантовою заплутаністю завжди недосконалі, що погіршує їх ефективність у завданнях квантової обробки інформації», — пояснює Хе Лу, співавтор дослідження.

На відміну від традиційних протоколів дистиляції, які вимагають складної колективної маніпуляції багатьма копіями квантових станів, новий підхід значно простіший у реалізації, особливо для фотонних систем. Ідея однокопійної дистиляції виникла під час наукової співпраці між дослідниками у 2019 році.

Для демонстрації ефективності свого методу науковці провели серію експериментів із використанням двокутритної фотонної системи, де кожна квантова одиниця може існувати в суперпозиції трьох станів. Вони підготували тривимірні стани Вернера, закодовані в ступенях свободи фотонних пар.

«Спочатку ми підготували двокубітний стан Вернера, закодований у поляризаційному ступені свободи, потім використали масив зміщувачів променя та хвильових пластинок для перетворення квантової інформації у просторовий ступінь свободи», — розповідає Лу. «Сама однокопійна локальна фільтрація досить проста — вона вимагає лише блокування одного з трьох шляхів».

Теоретичний аналіз підтвердив ефективність техніки в дистиляції квантових кореляцій. Незважаючи на експериментальні недосконалості, ScLF трансформувала підготовлені стани очікуваним чином, дозволяючи спостерігати раніше приховані квантові властивості.

«Одним із найзахопливіших моментів стало повторне відкриття кубітного розкладання станів Вернера, неявно наведене в роботі Попеску», — зазначає співавтор Єонг-Черн Ліанг. «Це не лише пролило світло на питання, чому слід надавати перевагу кубітній проєкції перед іншими ScLF, але й уможливило наш експериментальний доказ».

Новий підхід до дистиляції може значно зменшити експериментальну складність, необхідну для виділення корисних квантових властивостей із зашумлених взаємодій. Експерименти та теоретичний аналіз продемонстрували, що запропонований метод дистиляції є масштабованим і може бути застосований до квантових систем вищих вимірностей.

Результати дослідження можуть мати важливі теоретичні наслідки, оскільки вони ставлять під сумнів попередні уявлення про те, що заплутаність може стати корисною лише після значного «очищення» від шуму.

Науковці планують продовжити дослідження в цьому напрямку. Теоретики працюватимуть над розробкою ще ефективнішого протоколу однокопійної дистиляції для вилучення справжніх квантових властивостей зі станів Вернера або доведуть оптимальність поточного протоколу. Експериментатори ж мають намір продемонструвати реалізацію нового протоколу дистиляції на квантових станах із більшою кількістю вимірів.

«У цій роботі ми продемонстрували однокопійну дистиляцію на тривимірних квантових станах», — додає Лу. «Я хотів би дослідити стани ще вищої розмірності, хоча реалізація нашої схеми з використанням об'ємної оптики в таких випадках видається досить складною. Проте швидкий розвиток інтегральної оптики пропонує перспективну платформу для таких демонстрацій».