Иллюстрация: P. Drmota et al. / Physical Review Letters. Совем недавно британские физики показали десятисекундное хранение ионно-фотонной запутанности в кубите памяти, куда она была перенесена из узлового кубита. За это время узловой кубит успел запутаться с новым фотоном. Это достижение открывает перспективы для создания квантовых сетей на основе ионов и фотонов. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Для реализации распределенных квантовых вычислений или коммуникаций необходимо создание квантовых сетей. Их базовая архитектура предполагает наличие узловых кубитов, которые запутываются друг с другом посредством кубитов-переносчиков. В качестве перспективной физической платформы для этой цели рассматривается ионно-фотонное решение. Ионы обладают рекордным временем хранения квантовой информации, а передача запутанности между двумя узлами в такой сети достигла 230 метров.
Однако, долгое время когерентности не всегда сочетается с эффективностью ион-фотонного запутывания. Чтобы добиться и того, и другого, можно ввести дополнительные кубиты памяти, куда будет временно передаваться квантовая информация. Такой подход хорош еще и тем, что, из-за разности частот, на которых откликаются ионы, воздействие на узловой ион можно сделать несущественным для иона памяти и не вызывающим декогеренцию.
Реализовать этот принцип на практике вызвалась группа физиков из Оксфордского университета при участи Питера Дрмота (Peter Drmota). Они проводили эксперименты с парой ионов 88Sr+–43Ca+ (двухионным кристаллом), помещенных в ловушку Пауля при комнатной температуре. Ион стронция легко было запутывать с фотоном благодаря его энергетической структуре, поэтому он играл роль узлового кубита. Ион кальция же известен большим временем когерентности, и потому был кубитом-хранилищем.
Каждый этап эксперимента начинался с испускания ионом стронция фотона сразу в несколько сверхтонких подуровней основного состояния. Подуровни отличались спином, что сказывалось на поляризации фотона, поэтому суперпозиция отдельных каналов излучения запутывала ион и фотон.
Затем физики переносили запутанность с узлового кубита на кубит памяти. Для этого ловушка с ионами облучалась двумя встречными лазерными лучами, слегка отстроенными друг от друга, чтобы индуцировать комбинационный (рамановский) переход. По оценкам физиков степень совпадения (fidelity) этой операции оказалась равной 0,977(7).
Схемы энергетических уровней ионов, участвующих в эксперименте. P. Drmota et al. / Physical Review Letters
Томография такой запутанности показала, что перенос квантового состояния на кубит памяти увеличивает время хранения примерно в 70 раз по сравнению с хранением в узловом кубите. Однако динамическое подавление эффектов декогеренции позволило поднять и это время на два порядка, доведя его до десяти секунд со степенью совпадения 0,81(4). Оказалось, что за это время можно успеть снова инициировать узловой ион и запутать его со вторым фотоном.
Использование иона посредника при проведении каких-либо квантовых манипуляций называется квантовой логикой. Мы уже рассказывали, как этот подход помог изучить неупругие соударения холодных атомов и ионов в ловушке.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
