Два фотона для квантовой запутанности — успех 50%. Один фотон — почти 100%. Идеальный рецепт квантового интернета найден?

Квантовые сети давно считают практичным способом собрать большой квантовый компьютер из нескольких небольших модулей, которые работают как единая система. Чтобы такие узлы действительно взаимодействовали между собой, им нужна запутанность - квантовая связь, при которой удаленные объекты оказываются в общем коррелированном состоянии. Команда Academia Sinica на Тайване при участии коллег из Гарварда предложила вариант протокола, который делает такую связь надежнее и при этом не требует редкого или дорогого оборудования.

Во многих схемах удаленные атомные узлы соединяют через интерфейс «атом–оптическая полость». Полость проще всего представить как резонатор с зеркалами, где фотон многократно проходит внутри и из-за этого сильнее взаимодействует с атомами. Для сети это удобно: атомы могут работать как квантовая память, а фотоны подходят для передачи состояния по оптоволокну и другим оптическим линиям.

Два десятилетия назад физики Орхусского университета предложили протокол state-carving, SC, для получения запутанности между удаленными устройствами. Главная беда классической версии в том, что она срабатывала примерно в 50% случаев. Для отдельных экспериментов это еще можно пережить, но в большой сети, где операцию приходится повторять снова и снова, такие потери быстро становятся критичными.

Новый вариант меняет один ключевой момент, причем довольно простым способом. Вместо двух фотонов используют один, но заставляют его дважды взаимодействовать с атомами, а измеряют только после второго прохода. Так исчезает просадка по вероятности, которая раньше появлялась из-за промежуточного детектирования до финальной регистрации. В идеальном пределе авторы рассчитывают на вероятность успеха, близкую к 100%.

Сам узел работает по понятной логике. Два атома связаны с оптической полостью, затем к резонатору направляют фотон. Он либо проходит внутрь, либо отражается, и это зависит от того, связан ли хотя бы один атом с модой полости. Такой выбор формирует связь между атомами и фотоном, а затем приводит и к запутанности между самими атомами.

Дальше все решает измерение состояния света. Детектор фиксирует результат, и атомная система переходит в одно из заранее заданных запутанных состояний. В state-carving измерение оставляет нужный вариант, а остальные отсекает. В исходной схеме такой отбор приходилось делать дважды, и именно промежуточный шаг давал необратимые потери, из-за чего успешность и упиралась в 50%.

В обновленном протоколе тот же фотон возвращают в полость на второй проход. Самая простая реализация, зеркало в оптическом тракте, которое отражает квант света обратно по той же линии. Подход совместим с масштабируемыми технологиями коммутации, которые направляют фотон к полости и обратно.

Самое важное здесь - сочетание эффективности и точности. По расчетам авторов, высокая верность запутывания достигается без сложных экспериментальных установок и сохраняется даже при использовании оптических полостей среднего качества. Работу протокола отдельно проверили на модели с реалистичными потерями, включая рассеяние фотонов и ослабление сигнала.

На практике это может пригодиться для распределенных квантовых вычислений, слепых квантовых вычислений и распределенного квантового зондирования. Следующий шаг команды - проверить подход на более широком наборе физических платформ и довести его до испытаний на реальных квантовых процессорах и сетях вместе с инженерами. Параллельно авторы хотят понять, где лежат фундаментальные ограничения по точности и какие теоретические пределы возможны для таких методов.