Квантовая телепортация в кремниевом фотонном чипе

Прогнозируется, что развитие технологий, которые могут обрабатывать информацию на основе законов квантовой физики, окажет глубокое влияние на современное общество.

Например, квантовые компьютеры могут быть ключом к решению проблем, которые слишком сложны для самых мощных современных суперкомпьютеров, а квантовый интернет в конечном итоге может защитить информацию от злонамеренных атак.

Однако все эти технологии основаны на «квантовой информации», которая обычно кодируется в виде единичных квантовых частиц, которые чрезвычайно трудно контролировать и измерять.

Ученые из Бристольского университета в сотрудничестве с Техническим университетом Дании (DTU) успешно разработали устройства в масштабе чипов, которые могут использовать приложения квантовой физики, генерируя и манипулируя отдельными частицами света в программируемых наноразмерных цепях.

Эти чипы способны кодировать квантовую информацию в свете, генерируемом внутри цепей, и могут обрабатывать «квантовую информацию» с высокой эффективностью и чрезвычайно низким уровнем шума. Это исследование может значительно повысить способность создавать более сложные квантовые схемы, которые требуются в квантовых вычислениях и коммуникациях.

Работа, опубликованная в журнале Nature Physics и доступная бесплатно в виде препринта на сервере препринтов arXiv, содержит ряд квантовых демонстраций.

В одном из прорывных экспериментов исследователи из Лаборатории квантовых инженерных технологий Бристольского университета (QET Labs) впервые демонстрируют квантовую телепортацию информации между двумя программируемыми микросхемами, что, как они отмечают, является краеугольным камнем квантовой связи и квантовых вычислений.

Квантовая телепортация предполагает квантовую передачу состояния квантовой частицы из одного места в другое, используя запутывание. Телепортация полезна не только для квантовой связи, но и является фундаментальным строительным блоком оптических квантовых вычислений. Однако установление запутанной линии связи между двумя чипами в лаборатории оказалось весьма сложной задачей.

«Мы смогли продемонстрировать высококачественную связь между двумя чипами в лаборатории, где фотоны на каждом чипе находятся в одном квантовом состоянии» — говорят исследователи. «Затем каждый чип был полностью запрограммирован для проведения ряда демонстраций, в которых используется запутывание».

Флагманская демонстрация была экспериментом по телепортации с двумя чипами, в котором индивидуальное квантовое состояние частицы передается через две микросхемы после квантового измерения. Это измерение использует странное поведение квантовой физики, которое одновременно разрушает запутанную связь и передает состояние частицы другой частице, уже находящейся на приемном чипе.

«Основываясь на нашем предыдущем результате высококачественных однофотонных источников на кристалле, мы создали еще более сложную схему, содержащую четыре источника. Все эти источники проверены и признаны практически идентичными, испускающими почти идентичные фотоны, что является существенным критерием для серии экспериментов, которые мы провели, таких как обмен переплетением».

Результаты показали чрезвычайно высокую точность квантовой телепортации в 91 процент. Кроме того, исследователи смогли продемонстрировать некоторые другие важные функциональные возможности своих проектов, такие как перестановка запутывания (требуется для квантовых повторителей и квантовых сетей) и четырехфотонные GHZ-состояния (требуются в квантовых вычислениях и квантовом интернете).

Низкие потери, высокая стабильность и превосходная управляемость чрезвычайно важны для интегрированной квантовой фотоники. «Этот эксперимент стал возможен благодаря современной технологии кремниевой фотоники с низкими потерями, основанной на высококачественном изготовлении в DTU» — отметили исследователи.

В будущем интеграция квантовых фотонных устройств и классических электронных элементов управления с одним чипом откроет двери для полностью CMOS-совместимых квантовых сетей связи и обработки информации.

Daniel Llewellyn et al. Chip-to-chip quantum teleportation and multi-photon entanglement in silicon, Nature Physics (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0727-x

Chip-to-chip quantum teleportation and multi-photon entanglement in silicon. arxiv.org/abs/1911.07839