Физики создали квантовый компьютер из обычного света, работающий при комнатной температуре

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, которые обычным машинам не под силу. Но есть критическая проблема: квантовые системы крайне хрупкие. Шум, потери и малейшие помехи разрушают их работу. Кроме того, создавать системы со множеством квантовых частиц технически очень сложно.

Новый подход: классический свет вместо квантового

Вместо того чтобы работать с деликатными квантовыми источниками света, команда физиков из Университета штата Луизиана начала с яркого, легкодоступного классического света. Они использовали оптическую сеть и детекторы, которые считают фотоны один за другим. Эта комбинация позволила выявить и использовать скрытое многофотонное квантовое поведение для обработки информации.

Как это работает: превращение флуктуаций в ресурс

Классический свет легче производить, чем деликатные квантовые состояния, и он может содержать большое количество фотонов. Однако от одного измерения к другому число фотонов, достигающих детектора, естественным образом меняется. Исследователи превратили эти флуктуации в ресурс для квантовой обработки информации.

Используя детекторы с разрешением по числу фотонов, которые могут различить, сколько фотонов прибывает одновременно, учёные выбирали конкретные события с определённым числом фотонов. Это позволило им получить доступ к различным многофотонным квантовым системам, содержащимся в одном поле классического света.

Богатая информационная структура

Исследователи объединили три свойства света: поляризацию, пространственную структуру и число фотонов. Вместе эти свойства создали обширную сеть возможных состояний и связей, образовав многофотонный квантовый резервуар. В эксперименте этот резервуар обеспечил 861 измеримый компонент для обработки информации.

Система получила доступ к многочастичным системам с числом фотонов вплоть до 40. Это позволило исследователям изучить сложную квантовую динамику и использовать её для обработки информации в рамках одной платформы.

Практические демонстрации

Исследователи использовали платформу как квантовый симулятор. В одной демонстрации измерения числа фотонов восстановили характерное распространение квантового случайного блуждания даже при наличии шума в оптической сети. В другой демонстрации синтетическая решётка, созданная из различных состояний света, воспроизвела термализацию и антитермализацию — процессы, при которых флуктуации в многочастичной системе растут или уменьшаются по мере её эволюции.

Затем команда проверила, может ли устройство обучаться. Они зафиксировали оптическую сеть в одной случайно выбранной конфигурации и закодировали входные данные в поляризацию света. Резервуар преобразовал каждый вход в гораздо более богатый паттерн по пространственным модам и числам фотонов. Требовалось обучить только финальный считывающий слой. Без физической переконфигурации резервуара система выучила шесть очень разных математических функций.

Путь к практическому применению

Система работает при комнатной температуре и остаётся полезной даже при наличии шума и потерь. Это указывает на возможность создания квантовых технологий для реальных лабораторных условий, а не только для идеально изолированных окружений. Подход также открывает путь к более крупным многофотонным системам, хотя будущее масштабирование будет зависеть от более быстрых и способных детекторов с разрешением по числу фотонов.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Science. Работу возглавили Минюань Хун и Омар С. Магана-Лоаиза из Лаборатории квантовой фотоники Университета штата Луизиана в сотрудничестве с учёными из Национального автономного университета Мексики и Политехнического университета Пачуки.

Это данные исследования, а не медицинский совет.