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.