Квантовые вычисления на фотонах опираются на использование квантовых
состояний света для представления и обработки информации. В отличие от
классических вычислительных схем, в которых биты принимают значения 0
или 1, в квантовых системах единицей информации служит кубит — квантовая
суперпозиция этих состояний. Фотоны являются одними из наиболее
перспективных носителей кубитов благодаря их высокой подвижности,
низкому уровню взаимодействия с окружающей средой и возможности точного
управления их квантовыми параметрами.
Представление кубитов на
фотонах
Фотонные кубиты можно кодировать в различных степенях свободы
фотонов:
- Поляризация: горизонтальная |H⟩ и вертикальная |V⟩
поляризации.
- Путь (интерферометрическая реализация): наличие
фотона в одном из двух пространственно разделённых каналов.
- Временные бины (time-bin encoding): использование
разных временных окон прибытия фотона.
- Орбитальный момент импульса (OAM): бесконечно
большое гильбертово пространство, подходящее для мультиуровневых систем
(квитов и кдитов).
Для конкретных вычислительных задач выбирается та степень свободы,
которая удобна для реализации логических операций, масштабируемости и
считывания состояния.
Принципы логических операций
Квантовые логические элементы в фотонной оптике реализуются
посредством линейных оптических элементов, таких
как:
- Поляризационные делители пучка (PBS)
- Полуволновые и четвертьволновые пластинки
- Зеркала, фазовые модуляторы
- Интерферометры (Маха-Цендера, Саньяка)
- Фотонные счетчики и источники одиночных фотонов
Однако линейная оптика сама по себе не обеспечивает универсальности
квантовых вычислений. Для реализации нелинейных взаимодействий между
фотонами необходимо прибегать к методам постселекции,
вспомогательных фотонов, временных
задержек и согласованных измерений, как это
сделано в схеме KLM (Knill–Laflamme–Milburn).
Схема KLM:
универсальность с линейной оптикой
KLM-подход, предложенный в 2001 году, продемонстрировал, что
универсальные квантовые вычисления можно реализовать, используя
только:
- Источники одиночных фотонов
- Линейные оптические элементы
- Измерения
- Квантовую телепортацию и коррекцию ошибок
Ключевой элемент — схема условной логики, где
логическая операция происходит только при регистрации определенного
результата на детекторе, что требует многократного повторения
эксперимента или использования схем с отложенной детекцией и
коррекцией ошибок.
Телепортация и кластерные
состояния
Современные подходы к фотонным квантовым вычислениям всё чаще
опираются на:
- Модель измеряемых квантовых вычислений (MBQC), где
вся квантовая информация кодируется в сильно запутанных
кластерных состояниях, а вычисления производятся
последовательными измерениями.
- Фотонные кластерные состояния могут быть построены
с использованием энтанглеров, двухфотонной интерференции и последующих
измерений.
- Такие методы позволяют упростить реализацию логических вентилей,
переложив сложность на начальное создание многокубитной
запутанности.
Источники одиночных и
спутанных фотонов
Надёжные и согласованные источники фотонов критически важны для
фотонной квантовой логики:
- Параметрическое расщепление (SPDC): генерация пар
спутанных фотонов в нелинейных кристаллах.
- Четырёхволновое смешение: альтернатива в волоконных
или интегральных средах.
- Квантовые точки и дефекты NV в алмазе: обеспечивают
высокий уровень детерминированности при генерации одиночных
фотонов.
Для квантовых вычислений необходимо управляемое совпадение мод
(пространственных, временных, спектральных), высокая степень чистоты
состояний и согласованность между фотонами, особенно при работе с
несколькими источниками.
Двухфотонная
интерференция: основа гейтов
Явление двухфотонной интерференции лежит в основе многих логических
операций:
- Эффект Хонга-Мандела (HOM): если два неразличимых
фотона поступают на противоположные входы симметричного делителя пучка,
они интерферируют так, что покидают делитель только в одном и том же
выходе.
- Этот эффект используется для реализации контролируемых
вентилей, в которых результат операции зависит от наличия
фотона на входе, что требует согласования времён прихода, частоты и
поляризации.
Детекторы и измерения
Корректная работа фотонных квантовых схем зависит от эффективности и
точности измерений:
- Счётчики одиночных фотонов (SPAD, TES, SNSPD)
обеспечивают регистрацию фотонов с высокой вероятностью и временным
разрешением.
- Разрешение по числу фотонов необходимо в схемах с
несколькими фотонами и для определения многократной генерации.
- Идеальный детектор должен быть с нулевой тёмной активностью, высоким
квантовым выходом и разрешением по времени.
Ошибки и декогеренция
Фотонные системы страдают от других источников ошибок по сравнению с
атомными или ионными:
- Потери в оптических элементах и волокнах
- Несовершенство источников — многократные
генерации
- Неидеальность детекторов — ложные срабатывания и
неидеальное разрешение
- Невозможность повторного использования: фотон,
однажды измеренный, теряется
Для борьбы с ошибками применяются:
- Квантовая коррекция ошибок, основанная на
использовании дополнительных кубитов и запутанности
- Оптические буферы, хранящие фотоны до нужного
момента
- Реализация логики через телепортацию,
минимизирующая необходимость прямого взаимодействия
Интегральная фотоника
Развитие технологий интегральной фотоники стало
важным шагом к масштабируемости фотонных квантовых схем:
- Чипы на кремнии, нитриде кремния, литий-ниобате
позволяют интегрировать десятки и сотни оптических компонентов на одной
подложке
- Снижаются потери, повышается стабильность фаз и уменьшаются
габариты
- Такие платформы позволяют совмещать источники фотонов, логические
элементы и детекторы на одном чипе
Особый интерес представляют линейные оптические
матрицы, в которых программируемые фазовые сдвиги и амплитудные
модуляторы позволяют реализовать произвольную унитарную операцию над
фотонными модами.
Алгоритмы и применения
Фотонные квантовые системы могут реализовывать как
универсальные квантовые алгоритмы, так и
специализированные, в том числе:
- Аналог квантового преобразования Фурье
- Поиск по базе данных (алгоритм Гровера)
- Имитация квантовой химии и молекулярных
спектров
- Boson sampling — модель неуниверсальных квантовых
вычислений, демонстрирующая квантовое превосходство
Boson sampling особенно хорошо приспособлен к фотонной платформе, так
как использует многомодовые линейные оптические схемы и не требует
полной универсальности.
Проблемы масштабируемости
Несмотря на огромный потенциал, фотонные квантовые вычисления
сталкиваются с рядом вызовов:
- Отсутствие детерминированных двухкубитных вентилей
без привлечения вспомогательных схем
- Невозможность хранения и повторного использования
фотонов после измерения
- Масштабируемость источников и детекторов
- Необходимость согласования всех параметров фотонов
с экстремальной точностью
Для преодоления этих проблем активно разрабатываются
гибридные подходы, совмещающие фотонные и атомные (или
сверхпроводниковые) компоненты, а также исследуются схемы
топологической фотонной логики.
Перспективы
Фотонные квантовые вычисления находятся на пересечении
фундаментальной квантовой оптики и информационных технологий.
Современные успехи в разработке интегральных чипов, источников спутанных
фотонов и моделей вычислений на измерениях приближают реализацию
реальных фотонных квантовых процессоров. Ожидается, что в ближайшие годы
фотонные технологии станут основой для квантовых симуляторов,
распределённых вычислительных систем и защищённой связи.