Три фотона вместо двух: новый тест для квантовых компьютеров стал на 20% эффективнее

Физики из Университета Твенте (Нидерланды) усовершенствовали стандартный тест для проверки идентичности фотонов, который критически важен для квантовых вычислений. Вместо привычной схемы с двумя частицами они использовали сразу три фотона. Это позволяет извлекать больше информации из каждого измерения и почти на 20 процентов сокращает число повторений, необходимых для достижения той же точности.

В фотонных квантовых системах требуется, чтобы фотоны были как можно более похожи друг на друга. Полной идентичности на практике не бывает, поэтому перед вычислениями нужно оценить степень совпадения. С 1987 года для этого применяется эксперимент Хонга — У — Мандела: два фотона направляются на светоделитель. Если частицы неразличимы, они из-за квантовой интерференции покидают устройство вместе.

У старого метода есть ограничение: он сравнивает фотоны попарно. Например, для десяти фотонов нужно проверить 45 пар, и каждая пара требует тысячи повторений. Квантовый эксперимент каждый раз дает только один конкретный результат, и статистическую картину можно получить лишь после большого числа измерений.

Ученые из Твенте добавили за первым светоделителем второй, чтобы в эксперименте участвовали три фотона сразу. Одна конфигурация позволяет извлечь информацию о нескольких попарных совпадениях одновременно. Расчеты с использованием матрицы Фишера показали, что для трех фотонов эта схема оптимальна: при заданных условиях получить больше информации из измерения невозможно.

Новая методика устойчива к потерям фотонов, что особенно важно для реальных систем. Если один из трех фотонов теряется, оставшиеся два автоматически проходят через часть установки и дают обычный двухфотонный тест Хонга — У — Мандела. Таким образом, одна и та же схема одновременно работает как улучшенный трехфотонный и как стандартный двухфотонный тест.

Эксперимент подтвердил преимущество методики даже при сравнении с идеальным двухфотонным тестом без шумов и потерь. По расчетам авторов, выигрыш сохраняется при любой ненулевой эффективности передачи фотонов через установку, что делает метод пригодным для практического применения.

Схему можно масштабировать на четыре или пять фотонов, хотя для такого количества частиц оптимальность пока не доказана. Сейчас метод в первую очередь предназначен для лабораторий квантовой оптики, где нужно регулярно проверять качество источников фотонов. В дальнейшем его можно использовать как калибровочный этап или встроенный диагностический модуль в крупных фотонных квантовых компьютерах, где одновременно используются сотни фотонов.