Учёные МГУ повысили вероятность успешного слияния в фотонных квантовых вычислениях

Группа исследователей с физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова и из Российского квантового центра разработала теоретическую схему, которая существенно повышает эффективность операций слияния в фотонных квантовых вычислениях. Результаты работы опубликованы в журнале Q1 Physical Review Applied, а само исследование поддержано госкорпорацией «Росатом» в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. Об этом изданию «Вести Подмосковья» сообщили из пресс-службы МГУ.

Ключевая проблема в построении масштабируемых фотонных квантовых вычислений — необходимость создавать многочастичные запутанные состояния, которые служат ресурсом для дальнейших операций. Для этого применяют операции слияния: они позволяют объединять небольшие запутанные состояния в более крупные. Однако в линейно‑оптических системах без вспомогательных ресурсов вероятность успеха таких операций ограничена 50 %. Существующие методы повышения вероятности требуют подготовки дополнительных запутанных состояний — а этот процесс сам по себе вероятностный и увеличивает расход фотонов и оптических элементов.

Учёные предложили альтернативный подход: вместо сложных запутанных состояний они используют дополнительные одиночные фотоны. В разработанной схеме четыре вспомогательных фотона подаются в интерферометр вместе с основными кубитами. Это повышает вероятность успешного слияния до 62,5 %.

Кроме того, авторы схемы проанализировали возможные результаты фотодетектирования и показали, что часть исходов, традиционно считавшихся неудачными, можно превратить в успешные с помощью дополнительной процедуры дистилляции. Такой приём позволяет довести вероятность успешного слияния вплоть до 75 %.

Особенно значим выигрыш при построении больших квантовых состояний, где операции слияния выполняются многократно. Как пояснил аспирант физфака МГУ и младший научный сотрудник ЦКТ МГУ Александр Мелкозеров, при создании 24‑кубитного запутанного ресурсного состояния в модели FBQC (квантовые вычисления на основе слияний) новый метод позволяет сократить необходимое число одиночных фотонов более чем в восемь раз по сравнению с ранее известными схемами.

Таким образом, предложенное решение не только снижает ресурсоёмкость, но и делает теоретическую базу фотонных квантовых вычислений ближе к требованиям практической реализации крупномасштабных квантовых алгоритмов.