Физики создали первый универсальный квантовый вентиль

Схема экспериментальной установки

Raj B. Patel et al. / Science, 2016

Физики из университетов Гриффита и Квинсленда впервые создали рабочий прототип квантового вентиля Фредкина. Устройство меняет местами состояния двух кубитов в зависимости от состояния третьего, управляющего кубита. С помощью комбинаций из одного или нескольких таких вентилей можно выполнить любую квантовую логическую операцию, иными словами он является универсальным. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Гриффита.

Вентиль работает следующим образом. В один из трех вводов подается контрольный сигнал. Если его значение равно нулю, то и он, и сигналы двух оставшихся вводов проходят неизменными. Если значение контрольного сигнала равно единице, то сигналы двух остальных вводов меняются местами в каналах выхода, контрольная линия остается при этом неизменной. С помощью одного или нескольких классических вентилей могут выполнены любые логические операции.

Аналогичными свойствами обладает и квантовый вентиль. По сути, это означает, что вместо создания нескольких различных типов вентилей для каждой операции (НЕ, ИЛИ, Исключающее ИЛИ и так далее) в устройстве можно использовать элементы лишь одного типа, определенным образом между собой соединенные. В частности, это может уменьшить общее количество элементов в схеме. 

Физики-теоретики предложили ранее несколько способов создания вентиля Фредкина, в частности, с помощью комбинации из пяти обычных двухкубитных элементов. Однако такие схемы достаточно сложны и до сих пор не были реализованы. Авторы новой работы не только предложили более простую схему вентиля без использования дополнительных логических элементов, но и воплотили ее в жизнь.

Ученые реализовали устройство с помощью линейной оптики — за основу была взята схема операции SWAP (меняет местами кубиты). К этой схеме авторы добавили контрольную линию. Физики отмечают, что такой шаг был возможен именно для оптических систем. Для того, чтобы контрольная линия могла влиять на операцию SWAP авторы использовали особый вид запутанности, работающий для путей фотонов. Иными словами, один из фотонов мог идти по тому или иному направлению в зависимости от того, какой путь «выбрал» другой фотон.

Схема работы вентиля. Верхняя пара путей относится к контрольному кубиту, следующие две пары — к управляемым. Четвертая пара — триггер, проверяющий сработал ли вентиль.

Raj B. Patel et al. / Science, 2016

Для генерации входного сигнала ученые использовали фотоны, родившиеся в результате спонтанного параметрического рассеяния — явления, при котором один фотон превращается в два с половинными энергиями. Такие частицы являются запутанными. Затем фотоны поляризовались — так кодировалось состояние кубита. В зависимости от выбора пути контрольным кубитом, два кубита ввода либо перемешивались (пути 1R, 2B, 1G на схеме) либо продолжали двигаться неизменно (пути 1B, 2R, 1Y). 

Каждый из вариантов входного сигнала физики тестировали до момента регистрации 650 событий. Событием считались лишь те ситуации, когда четыре детектора (контрольный, для первого и второго кубита и дополнительный) одновременно фиксировали прибытие единичного фотона. По словам авторов, получившийся вентиль работает с высокой точностью.

«Эксперимент очень красивый. Он относится к категории демонстрационных экспериментов, который показывает принципиальную возможность создания чего-то нового. В данном случае речь идет об универсальном квантовом вентиле. Для реализации выбрана очень удобная для база — линейная оптика, на которой очень удобно показывать принципиально новые конструкции. Дальнейший шаг — масштабирование на линейной оптике крайне затруднен, поэтому будем ждать, когда подобные эксперименты будут показаны на других системах, например холодных атомах или сверхпроводниковых кубитах» —прокомментировал новость Юрий Курочкин, руководитель группы квантовых коммуникаций Российского Квантового Центра.

​

Авторы отмечают, что сам вентиль Фредкина может быть использован в целом ряде различных задач. К примеру, он позволяет быстро сравнивать, являются ли два набора кубитов одинаковыми. Такая операция необходима для сверки ключей и создания защищенной линии связи в квантовой криптографии. Также вентиль можно использовать в алгоритме Шора, раскладывающем числа на простые множители.

Владимир Королёв