Физики из России нашли способ управления состоянием двух аналогов кубитов

Исследователи из МФТИ и Российского квантового центра совместно с коллегами разработали метод управления двумя аналогами квантовых битов — кубитов — с использованием лазерных импульсов. В ходе компьютерного моделирования они установили классическую полевую запутанность между ними, что представляет собой особую связь волновых состояний. Данный подход может быть полезен для создания аналоговых симуляторов, которые воспроизводят поведение сложных физических систем. Об этом сообщает сайт Ferra.

Аналоговое моделирование предполагает изучение интересующей системы через другую, более управляемую. В этом методе информация записывается в волновых состояниях, а их изменения используются для моделирования физических процессов. Для успешного развития таких устройств важно не только управлять каждым элементом отдельно, но и контролировать связи между ними, что и было целью работы физиков.

В качестве элементов для симулятора исследователи выбрали поляритонные конденсаты. Экситон-поляритоны формируются, когда свет в полупроводниковом микрорезонаторе взаимодействует с электронными возбуждениями вещества — экситонами. В результате образуются квазичастицы, обладающие свойствами как света, так и вещества. При подходящей лазерной подпитке множество поляритонов образует конденсат, который можно описать как согласованное волновое поле.

Ученые выбрали такую систему, так как ее квантовым состоянием можно управлять с помощью лазерных импульсов, а информацию о нем можно получать по испускаемому свету. В этом случае носителем информации является не отдельная квазичастица, а целый конденсат.

Для записи информации исследователи использовали два пространственно локализованных конденсата. В каждом из них поляритоны образуют две области высокой плотности, что напоминает гантель. Эти «гантели» ориентированы по-разному: вдоль одной или другой оси овальной ловушки. Одно состояние условно обозначили нулем, другое — единицей. Работа была опубликована в журнале physica status solidi (b).

Эти состояния можно накладывать друг на друга, создавая суперпозицию. Так появляется аналог кубита: информация связана с соотношением заселенностей двух квантовых состояний и разностью их фаз — тем, насколько колебания одного состояния опережают колебания другого.

В предыдущих экспериментах, на которых основывались исследователи, уже удалось управлять одним таким конденсатом. Из-за овальной формы ловушки два базисных состояния немного различались по энергии, а их интерференция вызывала колебания.

Ученые направляли лазерные импульсы в определенные точки, изменяя частоту, размах и фазу этих колебаний.

В новой работе физики рассчитали, как управлять совместным состоянием двух конденсатов.

Исследователи рассмотрели два конденсата в соседних овальных ловушках с туннельной связью, позволяющей их волновым состояниям взаимодействовать. Описание пары аналоговых кубитов ограничили четырьмя комбинациями: 00, 01, 10 и 11. Затем они рассчитали, как изменяется их суперпозиция под действием света.

Расчеты проводились в приближении среднего поля: каждый конденсат рассматривался как целостный объект, двухуровневая квантово-механическая система. В обобщенном уравнении Шредингера для двух таких систем учитывались не только удерживающие поляритоны ловушки, но и потери поляритонов, а также их постоянное поступление из двух отдельных резервуаров экситонов. Эти резервуары также изменялись со временем, поэтому их поведение рассчитывали вместе с поведением конденсатов.

В предложенной схеме использовались два коротких световых импульса, воздействующих на области левой и правой ловушек. Они создавали дополнительные облака экситонов, отталкивающих поляритоны. Таким образом, исследователи намеренно изменяли условия движения поляритонов в обеих ловушках и управляли совместным состоянием конденсатов.

Положение световых пятен определяло, какие участки конденсатов испытывали отталкивание. Поскольку два выбранных состояния имеют разное пространственное распределение, одно и то же воздействие меняло их неодинаково. Подбирая точки приложения импульсов, исследователи изменяли соотношение этих состояний и разность их фаз. В расчетах они искали положения, при которых совместное состояние двух конденсатов становилось максимально неразделимым.

В рассматриваемом примере свет создавал локальные возмущения шириной около одного микрометра — 0,001 миллиметра.

В начале расчета общее состояние системы задавалось независимыми состояниями двух конденсатов. После воздействия импульсов такое описание уже не подходило: совместное квантовое состояние нельзя было представить как произведение двух отдельных состояний — по одному для каждого конденсата. Эту неразделимость ученые называют классической полевой запутанностью.

Ее степень оценивалась с помощью особого параметра, негативности: в выбранной модели этот показатель изменился от нуля до значения, близкого к максимально возможному — 0,5. Таким образом, в компьютерной модели исследователи получили классический волновой аналог запутанного состояния двух кубитов. Этот результат демонстрирует возможность управления совместным состоянием двух элементов будущего поляритонного симулятора.

Практическое значение предложенной схемы заключается в переходе от управления отдельными элементами к операциям над их парами. В будущем такие операции могут стать частью поляритонных симуляторов, в которых поведение сложной системы воспроизводится через управляемую динамику волн.

Стелла Кавокина, заместитель директора Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ, прокомментировала результаты работы: «Мы разработали экспериментально осуществимый и относительно простой подход к получению классически запутанного состояния двух поляритонных кубитов, необходимого для создания поляритонной платформы аналогового моделирования».

Больше новостей и эксклюзивных видео смотрите в канале Самара Онлайн 24 в MAX