Новый метод передачи квантовой информации между кубитами, использующими различные физические принципы кодирования, разработали российские физики.

Кубитами называют наименьшие элементы, способные хранить квантовую информацию – квантовые биты. В будущем они станут основой квантовых компьютеров. В настоящее время исследователи создают кубиты различной физической природы, и кодирование информации устроено в них по-разному. В одних кубитах  для кодирования используются дискретные (квантованные) параметры, в других – непрерывно изменяющиеся величины. 

Установка для телепортации кубитов. (Фотография пресс-службы РКЦ)

Аспирант МФТИ Александр Уланов проводит настройку экспериментальной установки. (Фотография пресс-службы РКЦ)

Для таких квантовых систем, как одиночные атомы, квантовые точки, сверхпроводящие цепи и цветовые центры для кодирования удобно применять дискретные характеристики, например энергетические уровни или поляризацию фотона (направление вектора колебаний в электромагнитной волне). Для атомных ансамблей, оптических или микроволновых резонаторов и оптико-механических мембран более выгодно использовать непрерывные величины, такие, как отклонение мембраны от равновесия, импульс или напряжённость электрического поля в резонаторе.

Различные квантовые системы имеют свои достоинства и недостатки и служат для решения разных задач. Чтобы использовать их совместно, нужно иметь способ обмениваться квантовой информацией между кубитами с разной кодировкой. Посредником для такого обмена может быть электромагнитное поле (проще говоря, свет), способное взаимодействовать с кубитами обоих типов и переносить квантовую информацию на значительные расстояния. Однако до сих пор технология преобразования квантовой информации из дискретной кодировки в непрерывную и обратно для света не была разработана. 

Задачу обмена квантовой информацией между кубитами с различными физическими принципами кодирования решили физики из Российского квантового центра и Московского физико-технического института.  Они передали информацию от поляризационного кубита с дискретной кодировкой к волновому – с непрерывной. Для передачи информации исследователи выбрали явление квантовой телепортации.

В отличие от телепортации, которую показывают в фантастических фильмах, при квантовой телепортации не происходит перемещение какого-либо объекта на расстояние. В этом случае с одной частицы на другую передается лишь её квантовое состояние. Квантовая телепортация возможна только для квантово запутанных частиц, то есть таких, у которых квантовые состояния взаимосвязаны.

В данной работе исследователи создали запутанное состояние между поляризационным и волновым кубитами. Затем они изготовили ещё один поляризационный кубит и применили процедуру телепортации. При этом фотон, несущий поляризационный кубит, уничтожился, но его квантовое состояние (информация, содержащаяся в этом кубите), не пропало: оно перенеслось на волновой кубит.

Исследователи ожидают, что объединение преимуществ дискретной и непрерывной кодировок откроет новые горизонты для применения квантово-оптических технологий на практике.

Результаты экспериментов опубликованы в журнале Nature Communications.

По материалам пресс-релиза РКЦ и МФТИ.