Макроскопические конденсаты Бозе-Эйнштейна в квантовой информатике
Теоретический отдел ИПХФ РАН
Интернет является незаменимым ресурсом для современного общества. Вся информация, представленная в интернете, является классической и состоит из битов информации, каждый из которых может принимать значение 0 или 1. В отличие от классических битов, квантовые биты (кубиты) могут находиться в любой суперпозиции состояний 0 и 1. При рассмотрении системы, состоящей более чем из одного кубита, запутанные состояния таких кубитов могут быть созданы. Использование запутанных состояний в обработке информации представляет возможности для решения задач, которые не разрешимы на классических компьютерах: факторизация больших чисел на простые множители, моделирование сложных квантовых систем, абсолютно секретная передача информации, высокоточные измерения. В настоящее время предложено множество физических систем для реализации квантовой обработки информации: от нелинейной оптики до ионов в ловушках, но все они имеют свои преимущества и недостатки, и до сих пор неясно, какая из них является наиболее подходящей для решения таких проблем. Одним общим недостатком для всех этих физических реализаций является подверженность декогеренции, которая проявляется в разрушении когерентных микроскопических квантовых состояний, используемых для обработки информации, даже при незначительном взаимодействии с окружением. Кубиты на основе макроскопических конденсатов Бозе-Эйнштейна (БЭК) позволяют решить данную проблему, т. к. в этом случае информация закодирована во множество бозонных частиц, которые находятся в одном и том же состоянии, и изменение состояния некоторого количества этих частиц при взаимодействии с окружением не приводит к полной потере информации, как это происходит со стандартными кубитами (например, на основе фотонов), а выражается лишь в затухании амплитуды данного макроскопического состояния. Однако существует несколько фундаментальных проблем которые возникают при использовании макроскопических систем в квантовой обработке информации: 1) нет естественного взаимодействия между кубитами на основе макроскопических БЭК, которое необходимо для организации двухкубитных операций и передачи информации; 2) нет хорошо разработанного подхода к управлению сложной структурой с большим количеством степеней свободы в гильбертовом пространстве, размерность которого в миллионы раз превосходит размерность гильбертова пространства обычного кубита; 3) серьезной проблемой является получение запутанных состояний между различными макроскопическими БЭК кубитами, которые являются основным ресурсом для квантовой обработки данных. К настоящему времени, нами достигнуты определенные результаты в развитии данного направления, которые и будут представлены на конкурсе. В частности нами предложен метод для создания не максимально запутанных состояний определенного типа между такими макроскопическими кубитами, которые в отличие от состояний типа Шредингеровского кота могут быть получены экспериментально для макроскопических систем. На основе использования данных состояний предложен новый протокол телепортации для макроскопических БЭК и показано, как использовать данные состояния в квантовых вычислениях.
1) A. N. Pyrkov, Tim Byrnes, Quantum information transfer between two-component Bose-Einstein condensates connected by optical fiber, Proc. SPIE 8700, 87001E (2012)
2) A. N. Pyrkov, rnes, Entanglement generation in quantum networks of Bose-Einstein condensates, New J. Phys. 15, 093019 (2013).
3) A. N. Pyrkov, Tim Byrnes, Quantum teleportation of spin coherent states: beyond continuous variables teleportation New J. Phys. 16, 073038 (2014).
4) A. N. Pyrkov, rnes, Full Bloch sphere teleportation of spinor Bose-Einstein condensates and spin ensembles, Phys. Rev. A 90, 062336 (2014)
5) Tim Byrnes, Daniel Rosseau, Megha Khosla, Alexey Pyrkov, Anders Thomasen, Tetsuya Mukai, Shinsuke Koyama, Ahmed Abdelrahman, Ebubechukwu Ilo-Okeke, Macroscopic quantum information processing using spin coherent states, Optics Communications 337, 102 (2015).
