Ученые представили эффективную технологию, которая позволит квантовым компьютерам хранить гораздо больше информации в фотонах света. Команда смогла закодировать восемь уровней данных в фотоны и легко считать их обратно. Исследователи называют это открытие экспоненциальным скачком в развитии квантовых технологий.

Впечатление художника о работе новой системы - микрорезонатор представлен кольцом слева, а разветвленная структура справа отражает работу с фазовыми переходами, выполненную командой.  Yun-Yi Pai/ORNL, U.S. Dept. of Energy

Традиционные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичных битах, которые принимают значение ноля или единицы. Квантовые компьютеры резко увеличивают эту мощность благодаря квантовым битам, или кубитам, способным принимать значения ноль, единица или оба одновременно. Однако новая форма квантовых битов, известная как кудиты, еще больше расширяет возможности технологии. Теоретически кудиты могут содержать десятки различных значений, что значительно увеличивает возможности обработки и хранения данных. Кроме того, кудиты более устойчивы к помехам, которые могут нарушить работу квантовых машин

Впрочем, не все так просто: данные, хранящиеся на кудитах, трудно поддаются измерению и считыванию. Поэтому для нового исследования ученые из Ок-Риджской национальной лаборатории, Университета Пердью и EPFL разработали метод более эффективного производства и считывания кудитов. В своих экспериментах они сгенерировали кудиты, каждый из которых мог содержать до восьми уровней информации, и квантово запутали их попарно, чтобы создать 64-мерное квантовое пространство. Как утверждают специалисты эффективность технологии оказалась в четыре раза выше, чем в предыдущих исследованиях.

Эксперимент проводится с помощью лазерного излучения в микрокольцевом резонаторе, который представляет собой небольшую структуру округлой формы, порождающую пары фотонов с 8-мерными состояниями. В результате в этих парах происходит запутывание частот фотонов, создавая квантовое пространство, которое теоретически может хранить до 64 значений данных.

В ходе работы исследователи воспользовались электрооптическим фазовым модулятором, чтобы по-разному запутать частоты фотонов, после чего формирователь импульсов менял фазу этих частот. Подобные приборы довольно часто используются в телекоммуникациях, но в данном случае команда выполняла операции случайным образом. Это породило множество различных типов частотных корреляций, которые ученым удалось проанализировать с помощью статистических методов и моделирования, чтобы найти те, которые лучше всего подходят для квантовых информационных систем.

В будущих экспериментах команда планирует отправить эти запутанные фотоны по оптическому волокну, чтобы проверить на практике такие вещи, как квантовая телепортация и обмен запутанности, которые станут полезными протоколами квантовой коммуникации.

Результаты данного проекта были зарегистрированы в международном издании Nature Communications.

Sources: Oak Ridge, journal Nature Communications

Ок-Ридж, журнал Nature Communications

1. (https://www.nature.com/articles/s41467-022-31639-z)

2.(https://www.ornl.gov/news/new-measurements-quantifying-qudits-provide-glimpse-quantum-future)