Испытан первый полноценный квантовый маршрутизатор

В Университете Цинхуа (Китай) создан полноценный квантовый маршрутизатор.

Маршрутизаторы — устройства, которые определяют путь распространения информационного сигнала, ориентируясь на некий управляющий сигнал, — встречаются в любой крупной классической сети. В квантовой сети, где информация будет переноситься, к примеру, однофотонным импульсом, они должны выполнять те же функции. Хотя для управления потоками квантовых данных можно использовать и классический маршрутизатор (оптический переключатель), китайских физиков интересовал его истинно квантовый вариант, который работает с суперпозиционными управляющими состояниями.

Действие квантового маршрутизатора (иллюстрация авторов работы).

Роли управляющего и сигнального кубитов в экспериментах сыграли одиночные фотоны. Поляризация управляющего элемента могла находиться в произвольных суперпозиционных состояниях с₀|H> + с₁|V>, где |H> и |V> — две ортогональные линейные поляризации. Сигнальный фотон, который шёл по пути, обозначенному на схеме как |L>, после маршрутизатора мог двигаться по траекториям |L> и |R>; выбор между ними определялся поляризацией (|H> или |V>) второго фотона.

Конечное состояние двух фотонов можно представить в виде с₀|H>|L> + с₁|V>|R>. Маршрутизатор, таким образом, должен был действовать подобно квантовому вентилю «контролируемое отрицание».

Для создания упомянутых состояний была построена сравнительно несложная оптическая схема, показанная на рисунке ниже. Перед самим квантовым маршрутизатором в ней устанавливались нелинейные кристаллы бета-бората бария, на которые попадали ультрафиолетовые (400 нм) фемтосекундные лазерные импульсы. В результате спонтанного параметрического рассеяния на выходе кристаллов появлялись запутанные пары 800-нанометровых фотонов — управляющий и сигнальный кубиты.

Экспериментальная схема. BBO — бета-борат бария, PBS — поляризационный светоделитель, BS — светоделитель, APD — лавинный фотодиод. (Иллюстрация авторов работы.)

Испытания подтвердили, что маршрутизатор соответствует теоретической модели и выполняет все задуманные операции. Разумеется, это устройство, которое обслуживает только единичные кубиты, на практике никто использовать не будет, но его создание может ускорить разработку новых, более интересных и функциональных образцов.

Подготовлено по материалам Technology Review и arXiv.