Физики из Технического университета Дании (DTU) и их коллеги из США, Канады и Южной Кореи продемонстрировали, что запутанный свет может сократить количество измерений, необходимых для изучения поведения сложной зашумленной квантовой системы, на 11 порядков.
«Это первое доказанное квантовое преимущество для фотонной системы, — подчеркивает профессор DTU Ульрик Лунд Андерсен. — Понимание, что такое преимущество возможно с помощью простой оптической установки, должно мотивировать других найти области, где этот подход окажется полезным, например, в сенсорике и машинном обучении».
Ключевая роль запутанности
В центре исследования — проблема, распространенная в науке и технике: когда нужно понять или охарактеризовать физическую систему, раз за разом проводятся повторные измерения, и на их основе определяется, например, «шумовой отпечаток» устройства.
Однако с квантовыми устройствами все не так просто. Во-первых, квантовый шум — неотъемлемая часть измерений. Кроме того, количество экспериментов растет экспоненциально с увеличением размера системы, что делает ее изучение непрактичным или вовсе невозможным. Исследователи решили найти другой способ, используя запутанный свет.
Запутанность — ключевое понятие в квантовой механике, при котором две частицы или световых пучка связаны так сильно, что измерение одной мгновенно сообщает нам что-то о другой.
«Мы разработали процесс, которым можно было управлять, и задали простой вопрос: уменьшает ли запутанность количество измерений, необходимых для изучения такой системы? Ответ — да, и значительно. Мы изучили поведение нашей системы за 15 минут, тогда как сопоставимый классический подход потребовал бы около 20 миллионов лет», — говорит Андерсен.
Не под силу ни одной классической системе
Теоретическая основа эксперимента была заложена в статье тех же авторов 2024 года. Уже тогда они поняли, что запутанный свет, вероятно, решит проблему.
Практическая часть опытов, с результатами которой можно ознакомиться на страницах Science, проведена в подвале факультета физики DTU. Установка работает на телекоммуникационных длинах волн с использованием хорошо известных оптических компонентов. Эксперимент возможен даже при обычных потерях в оборудовании. По словам исследователей, это важно, поскольку показывает, что выигрыш происходит благодаря способу измерения, а не в результате применения идеальной аппаратуры.
Система состоит из оптического канала, в котором множественные световые импульсы имеют одинаковую картину шума. Два пучка света подготовлены — или, точнее, сжаты — так, что стали запутанными. Один пучок используется для зондирования системы, другой — контрольный. Совместное измерение сравнивает их за один прием, и это сравнение устраняет большую часть измерительной «нечеткости» и извлекает больше информации за попытку, чем при наблюдении только за зондирующим пучком.
Таким образом, квантовое преимущество изучения фотонных систем получило экспериментальное подтверждение. О практическом применении результатов говорить, конечно, преждевременно, признал физик Йонас Скоу Неэргар Нильсен.
«Несмотря на то, что многие говорят о квантовых технологиях и о том, как они превосходят классические компьютеры, факт остается фактом: этого еще не произошло. Поэтому нас удовлетворяет в первую очередь то, что мы, наконец, нашли квантовомеханическую систему, которая делает то, что не под силу ни одной классической системе», — заключил он.
Квантовый компьютер на фотонах впервые достиг квантового превосходства
Квантовый компьютер впервые показал превосходство в решении задач для реальной жизни
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram