Физики из МФТИ разработали способ связывать два аналога кубитов

Ученые из МФТИ и Российского квантового центра, совместно с коллегами, провели расчеты, позволяющие управлять двумя аналогами квантовых битов — кубитов — с помощью лазерных импульсов. В компьютерной модели они установили классическую полевую запутанность между ними, что представляет собой особую связь волновых состояний. Этот метод управления может быть полезен для создания аналоговых симуляторов, которые воспроизводят поведение сложных физических систем.

Идея аналогового моделирования заключается в том, чтобы изучать интересующую систему с помощью другой, более управляемой. В данном подходе информация записывается в волновых состояниях, а их изменения используются для моделирования физических процессов. Для успешного развития таких устройств необходимо не только управлять каждым элементом по отдельности, но и контролировать связи между ними, что и было задачей физиков.

В качестве элементов будущего симулятора исследователи выбрали поляритонные конденсаты. Экситон-поляритоны образуются, когда свет в полупроводниковом микрорезонаторе взаимодействует с электронными возбуждениями вещества — экситонами. В результате возникают квазичастицы, обладающие свойствами света и вещества. При подходящей лазерной подпитке множество поляритонов образует конденсат, который можно описать как согласованное волновое поле.

Ученые выбрали такую систему, поскольку ее квантовым состоянием можно управлять лазерными импульсами, а информацию о нем можно получить по испускаемому свету. В этом случае носителем информации служит не отдельная квазичастица, а конденсат в целом.

Для записи информации физики использовали два пространственно локализованных конденсата, в каждом из которых поляритоны образуют области высокой плотности, напоминающие гантели. Эти «гантели» ориентированы по-разному: вдоль одной или другой оси овальной ловушки. Одно состояние условно обозначили нулем, другое — единицей. Работа опубликована в журнале physica status solidi (b).

Состояния можно накладывать друг на друга, создавая суперпозицию, что приводит к аналогам кубитов: информация связана с соотношением заселенностей двух квантовых состояний и разностью их фаз. В предыдущих экспериментах, на которые опирались исследователи, уже удалось управлять одним конденсатом. Из-за овальной формы ловушки два базисных состояния немного различались по энергии, а их интерференция вызывала колебания.

Направляя лазерные импульсы в определенные точки, ученые изменяли частоту, размах и фазу этих колебаний. В новой работе физики рассчитали, как управлять совместным состоянием двух конденсатов.

Исследователи рассмотрели два конденсата в соседних овальных ловушках с туннельной связью, позволяющей взаимодействовать их волновым состояниям. Описание пары аналоговых кубитов ограничили четырьмя комбинациями: 00, 01, 10 и 11, и рассчитали, как меняется их суперпозиция под действием света.

Расчеты проводились в приближении среднего поля, где каждый конденсат описывался как целостный объект, двухуровневая квантово-механическая система. В обобщенном уравнении Шредингера для двух таких систем учитывались не только удерживающие поляритоны ловушки, но и потери поляритонов, а также их поступление из двух отдельных резервуаров экситонов, которые также изменялись со временем.

В предложенной схеме использовались два коротких световых импульса, воздействующих на области левой и правой ловушек, создавая дополнительные облака экситонов, которые отталкивали поляритоны. Это позволяло исследователям намеренно изменять условия движения поляритонов в обеих ловушках и управлять совместным состоянием конденсатов.

Положение световых пятен определяло, какие участки конденсатов испытывали отталкивание. Поскольку два состояния имеют разное пространственное распределение, одно и то же воздействие меняло их неодинаково. Подбирая точки приложения импульсов, исследователи изменяли соотношение состояний и разность их фаз, стремясь найти положения, при которых совместное состояние двух конденсатов становилось максимально неразделимым.

В рассматриваемом примере свет создавал локальные возмущения шириной около одного микрометра. В начале расчета общее состояние системы задавалось независимыми состояниями двух конденсатов. После воздействия импульсов такое описание уже не подходило: совместное квантовое состояние нельзя было представить как произведение двух отдельных состояний. Эту неразделимость ученые называют классической полевой запутанностью.

Ее степень оценивалась с помощью параметра негативности, который в данной модели изменился от нуля до значения, близкого к максимально возможному — 0,5. Таким образом, в компьютерной модели исследователи получили классический волновой аналог запутанного состояния двух кубитов. Это открытие демонстрирует возможность управления совместным состоянием двух элементов будущего поляритонного симулятора.

Практическое значение предложенной схемы заключается в переходе от управления отдельными элементами к операциям над их парами. В будущем такие операции могут стать частью поляритонных симуляторов, в которых поведение сложной системы будет воспроизводиться через управляемую динамику волн.

Стелла Кавокина, заместитель директора Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ, прокомментировала результаты работы, отметив, что был разработан экспериментально осуществимый и относительно простой подход к получению классически запутанного состояния двух поляритонных кубитов, необходимого для создания поляритонной платформы аналогового моделирования.