Прогнозується, що розвиток технологій, які можуть обробляти інформацію на основі законів квантової фізики, матиме глибокий вплив на сучасне суспільство.
Наприклад, квантові комп'ютери можуть бути ключем до вирішення проблем, які занадто складні для найпотужніших сучасних суперкомп'ютерів, а квантовий інтернет в кінцевому підсумку може захистити інформацію від зловмисних атак.
Однак всі ці технології засновані на «квантовій інформації», яка зазвичай кодується у вигляді одиничних квантових частинок, які надзвичайно важко контролювати і вимірювати.
Вчені з Брістольського університету у співпраці з Технічним університетом Данії (DTU) успішно розробили пристрої в масштабі чіпів, які можуть використовувати програми квантової фізики, генеруючи і маніпулюючи окремими частинками світла в програмованих нанорозмірних ланцюгах.
Ці чіпи здатні кодувати квантову інформацію в світлі, що генерується всередині ланцюгів, і можуть обробляти «квантову інформацію» з високою ефективністю і надзвичайно низьким рівнем шуму. Це дослідження може значно підвищити здатність створювати більш складні квантові схеми, які потрібні в квантових обчисленнях і комунікаціях.
Робота, опублікована в журналі Nature Physics і доступна безкоштовно у вигляді препринту на сервері препринтів arXiv, містить ряд квантових демонстрацій.
В одному з проривних експериментів дослідники з Лабораторії квантових інженерних технологій Брістольського університету (QET Labs) вперше демонструють квантову телепортацію інформації між двома мікросхемами, що програмуються, як вони відзначають, є наріжним каменем квантового зв'язку і квантових обчислень.
Квантова телепортація передбачає квантову передачу стану квантової частинки з одного місця в інше, використовуючи заплутування. Телепортація корисна не тільки для квантового зв'язку, але і є фундаментальним будівельним блоком оптичних квантових обчислень. Однак встановлення заплутаної лінії зв'язку між двома чіпами в лабораторії виявилося досить складним завданням.
«Ми змогли продемонструвати високоякісний зв'язок між двома чіпами в лабораторії, де фотони на кожному чіпі знаходяться в одному квантовому стані» - кажуть дослідники. «Потім кожен чіп був повністю запрограмований для проведення ряду демонстрацій, в яких використовується заплутування».
Флагманська демонстрація була експериментом з телепортації з двома чіпами, в якому індивідуальний квантовий стан частинки передається через дві мікросхеми після квантового виміру. Цей вимір використовує дивну поведінку квантової фізики, яка одночасно руйнує заплутаний зв'язок і передає стан частинки іншій частинці, що вже знаходиться на приймальному чіпі.
"Ґрунтуючись на нашому попередньому результаті високоякісних однофотонних джерел на кристалі, ми створили ще більш складну схему, що містить чотири джерела. Всі ці джерела перевірені і визнані практично ідентичними, що випускають майже ідентичні фотони, що є істотним критерієм для серії експериментів, які ми провели, таких як обмін переплетенням ".
Результати показали надзвичайно високу точність квантової телепортації в 91 відсоток. Крім того, дослідники змогли продемонструвати деякі інші важливі функціональні можливості своїх проектів, такі як перестановка заплутування (потрібно для квантових повторювачів і квантових мереж) і чотирифотонні GHZ-стани (потрібні в квантових обчисленнях і квантовому інтернеті).
Низькі втрати, висока стабільність і чудова керованість надзвичайно важливі для інтегрованої квантової фотоніки. «Цей експеримент став можливим завдяки сучасній технології кремнієвої фотоніки з низькими втратами, заснованій на високоякісному виготовленні в DTU» - зазначили дослідники.
У майбутньому інтеграція квантових фотонних пристроїв і класичних електронних елементів управління з одним чіпом відкриє двері для повністю CMOS-сумісних квантових мереж зв'язку та обробки інформації.
