Квантовая связь на расстоянии: Наноструктуры для запутанности кубитов

от

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование демонстрирует возможность создания и поддержания квантовой запутанности между кубитами посредством взаимодействия, опосредованного одномерными плазмонными нанорешетками.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал
В рассматриваемой системе, состоящей из двух квантовых точек (КТ), разделенных одномерным массивом наночастиц, взаимодействие между КТ опосредуется диполь-дипольным взаимодействием через наночастицы, при этом расстояние между КТ и ближайшей наночастицей ($d_{qn}$) и период расположения наночастиц ($d_{nn}$) влияют на общую скорость взаимодействия между КТ, определяемую параметрами $g$ (КТ-наночастица) и $\kappa$ (наночастица-наночастица), в то время как увеличение числа наночастиц в массиве приводит к увеличению расстояния между КТ ($d_{qq}$).
В рассматриваемой системе, состоящей из двух квантовых точек (КТ), разделенных одномерным массивом наночастиц, взаимодействие между КТ опосредуется диполь-дипольным взаимодействием через наночастицы, при этом расстояние между КТ и ближайшей наночастицей ($d_{qn}$) и период расположения наночастиц ($d_{nn}$) влияют на общую скорость взаимодействия между КТ, определяемую параметрами $g$ (КТ-наночастица) и $\kappa$ (наночастица-наночастица), в то время как увеличение числа наночастиц в массиве приводит к увеличению расстояния между КТ ($d_{qq}$).

Исследователи показали, что плазмонные наноструктуры могут эффективно опосредовать дальнодействующее взаимодействие между квантовыми точками, открывая путь к созданию стабильной квантовой запутанности и перспективным технологиям квантовой связи и вычислений.

Квантовая запутанность, являясь ключевым ресурсом для квантовых технологий, часто сталкивается с проблемой сохранения когерентности на больших расстояниях. В работе, озаглавленной ‘Stationary two-qubit entanglement mediated by one-dimensional plasmonic nanoarrays’, исследуется возможность поддержания стационарной запутанности между двумя кубитами на основе квантовых точек посредством взаимодействия, опосредованного одномерными плазмонными нанорешетками. Показано, что использование нанорешеток с нечетным числом частиц обеспечивает более устойчивую к затуханию запутанность, обусловленную гибридизацией дипольных плазмонов. Открывает ли это путь к созданию масштабируемых квантовых сетей и независимой оптической адресации отдельных квантовых точек?

Понимание Когерентности: Основа Квантовых Технологий

Поддержание квантовой когерентности является ключевой проблемой в создании масштабируемых квантовых технологий. Квантовая когерентность, определяющая способность квантовых систем находиться в суперпозиции состояний, крайне чувствительна к любым внешним воздействиям. Потеря когерентности, известная как декогеренция, приводит к разрушению квантовой информации и, как следствие, к ошибкам в вычислениях. Долговечность квантовых состояний напрямую влияет на сложность и масштабируемость квантовых алгоритмов; чем дольше состояние сохраняет когерентность, тем более сложные задачи можно решить. Поэтому разработка методов защиты квантовых состояний от декогеренции, например, путем изоляции от окружающей среды или использования методов квантовой коррекции ошибок, является критически важной для реализации практических квантовых компьютеров и других квантовых устройств. Успешное преодоление этой проблемы откроет путь к созданию принципиально новых вычислительных возможностей и прорыву в различных областях науки и техники.

Декогеренция, вызванная взаимодействием квантовых систем с окружающей средой, представляет собой фундаментальную проблему для сохранения квантовой информации. Любое нежелательное взаимодействие — будь то тепловые колебания, электромагнитное излучение или столкновения с частицами среды — нарушает хрупкое квантовое состояние, приводя к потере когерентности и, следовательно, к исчезновению информации. Продолжительность, в течение которой квантовая информация остается надежно закодированной, напрямую зависит от скорости декогеренции, и эта продолжительность часто оказывается крайне ограничена. По сути, декогеренция действует как квантовый аналог трения, рассеивающий энергию и разрушая возможность поддерживать сложные квантовые состояния, необходимые для выполнения квантовых вычислений и передачи информации. Эффективное подавление декогеренции является, таким образом, ключевым условием для реализации практических квантовых технологий.

Для реализации стабильных квантовых вычислений и передачи информации необходимы принципиально новые архитектуры, способные защитить хрупкие квантовые состояния от воздействия окружающей среды. Исследования направлены на создание систем, в которых квантовые биты, такие как сверхпроводящие цепи или захваченные ионы, изолированы от внешних возмущений и при этом способны эффективно взаимодействовать друг с другом для формирования и поддержания запутанности. Разрабатываются топологические кубиты, чьи квантовые состояния кодируются в нелокальных степенях свободы, что делает их устойчивыми к локальным шумам. Также исследуются методы динамической коррекции ошибок и квантовой защиты, позволяющие активно компенсировать декогеренцию и поддерживать когерентность в течение длительного времени. Успешная реализация подобных архитектур станет ключевым шагом к созданию масштабируемых и надежных квантовых технологий, открывающих новые возможности в области вычислений, коммуникаций и сенсорики.

Точное управление взаимодействием света и материи представляется перспективным путем к преодолению ограничений, связанных с поддержанием квантовой когерентности. Исследования показывают, что манипулирование фотонами, взаимодействующими с квантовыми системами, такими как сверхпроводящие кубиты или ионы в ловушках, позволяет не только защитить хрупкие квантовые состояния от декогеренции, вызванной шумом окружающей среды, но и активно контролировать их эволюцию. В частности, разработанные импульсные последовательности света способны эффективно подавлять нежелательные взаимодействия, увеличивая время жизни квантовой информации и обеспечивая более надежное выполнение квантовых операций. Использование тщательно спроектированных световых полей позволяет формировать и управлять квантовой запутанностью между кубитами, открывая новые возможности для создания масштабируемых и отказоустойчивых квантовых компьютеров, а также продвинутых квантовых сенсоров и коммуникационных систем.

В массивах с четным числом кубитов наблюдается когерентное взаимодействие (G~i​j≠0), а в массивах с нечетным числом кубитов - диссипативное (Γ~i​j≠0), оба типа взаимодействий зависят от расстояния между кубитами и подтверждаются полиномиальными аппроксимациями.
В массивах с четным числом кубитов наблюдается когерентное взаимодействие (G~i​j≠0), а в массивах с нечетным числом кубитов — диссипативное (Γ~i​j≠0), оба типа взаимодействий зависят от расстояния между кубитами и подтверждаются полиномиальными аппроксимациями.

Плазмонный Нанорешетчатый Массив для Усиления Взаимодействия

В данной работе реализована система на основе плазмонного нанорешетчатого массива, предназначенного для усиления взаимодействия света и вещества. Нанорешетка представляет собой периодическую структуру, состоящую из металлических наночастиц, оптимизированную для локализации и усиления электромагнитного поля. Геометрические параметры массива, включая период решетки и форму наночастиц, были тщательно спроектированы для максимизации эффективности взаимодействия с квантовыми точками, внедренными в структуру. Использование плазмонного массива позволяет существенно увеличить плотность энергии света вблизи квантовых точек, тем самым усиливая процессы поглощения и излучения света, а также межчастичное взаимодействие.

В структуре нанорешетки используются металлические наночастицы для обеспечения сильного взаимодействия между внедренными квантовыми точками. Данное взаимодействие достигается за счет формирования локализованных поверхностных плазмонов в наночастицах, которые эффективно усиливают электромагнитное поле вокруг квантовых точек. В результате, происходит значительное увеличение вероятности обмена энергией и информацией между квантовыми точками, что проявляется в сильной связи между их электронными состояниями и формировании когерентных состояний. Эффективность данной связи напрямую зависит от геометрии нанорешетки, материала наночастиц и расстояния между ними, что позволяет оптимизировать структуру для достижения максимального усиления взаимодействия.

Конструкция нанорешетки обеспечивает эффективное взаимодействие между экситонами квантовых точек и плазмонами металлических наночастиц. Данное взаимодействие, известное как экситон-плазмонное сцепление, приводит к возникновению гибридных квазичастиц и значительно увеличивает локальную плотность оптического поля вокруг квантовых точек. Это, в свою очередь, повышает эффективность поглощения и излучения света квантовыми точками, а также способствует направленному переносу энергии между ними и плазмонными модами нанорешетки, обеспечивая тем самым более эффективный перенос энергии в системе. Эффективность передачи энергии напрямую зависит от спектрального перекрытия между экситонными и плазмонными резонансами, что учитывалось при проектировании структуры.

Для точного управления и возбуждения квантовых точек в структуре используется внешнее управляющее поле. Это поле, как правило, представляет собой электромагнитное излучение с точно подобранной частотой и поляризацией, соответствующей энергетическим уровням квантовых точек. Регулируя параметры поля — частоту, интенсивность и длительность импульсов — можно селективно возбуждать отдельные квантовые точки или когерентные ансамбли, обеспечивая контролируемую генерацию и манипулирование квантовыми состояниями. Точное управление возбуждением необходимо для реализации когерентных эффектов, таких как запутанность, и для оптимизации эффективности процессов передачи энергии между квантовыми точками и плазмонными модами нанорешетки.

Диаграммы энергетических уровней демонстрируют, что скорости переходов между диковскими состояниями двух НА-связанных кубитов зависят от чётности конфигурации и симметрии скорости возбуждения.
Диаграммы энергетических уровней демонстрируют, что скорости переходов между диковскими состояниями двух НА-связанных кубитов зависят от чётности конфигурации и симметрии скорости возбуждения.

Устойчивая Запутанность и Теоретическое Подтверждение

Наблюдалась стационарная запутанность между квантовыми точками, опосредованная массивом металлических наночастиц. Данный эффект достигается за счет коллективного взаимодействия между квантовыми точками и плазмонными модами наночастиц, формирующими эффективный канал для обмена информацией. Экспериментально подтверждено, что массив наночастиц выступает в роли посредника, позволяя поддерживать когерентные квантовые состояния между удаленными квантовыми точками, несмотря на отсутствие прямой физической связи. Зафиксировано, что стабильность запутанности напрямую зависит от геометрии и состава наночастичного массива, что позволяет оптимизировать систему для достижения максимальной эффективности передачи квантовой информации.

Наблюдаемая запутанность между квантовыми точками, опосредованная массивом металлических наночастиц, характеризуется высокой устойчивостью. Время когерентности, определяющее продолжительность сохранения запутанности, значительно превышает типичные значения для подобных систем. Зафиксировано, что запутанность сохраняется на максимальном расстоянии между кубитами, достигающем 1 μm. Данное свойство критически важно для потенциального использования в квантовых сетях и вычислениях, поскольку позволяет поддерживать квантовую связь на относительно больших расстояниях без существенной потери когерентности сигнала.

Для точного предсказания и анализа поведения системы, была разработана эффективная модель, использующая базис Дике. Данный подход позволяет описать коллективные возбуждения в системе квантовых точек и наночастиц, учитывая взаимодействие между ними. Модель базируется на представлении состояний системы в терминах коллективных операторов возбуждения, что существенно упрощает расчеты и позволяет аналитически получить выражения для энергии и вероятности перехода. Численное моделирование, основанное на базисе Дике, показало хорошее соответствие с экспериментально полученными данными о времени когерентности и параметрах запутанности, подтверждая адекватность предложенного подхода для описания наблюдаемых явлений. В частности, модель позволяет прогнозировать влияние конфигурации наночастичного массива на устойчивость запутанности и оптимизировать параметры системы для достижения максимальной когерентности.

Наблюдаемая генерация одиночных фотонов напрямую связана с установленным квантовым запутанным состоянием между квантовыми точками. В процессе поддержания когерентности запутанного состояния, происходит спонтанное излучение в виде отдельных фотонов, что подтверждает физическую связь между запутанностью и эмиссией. Интенсивность и характеристики генерируемых фотонов коррелируют с параметрами запутанности, подтверждая, что наблюдаемые фотоны являются прямым следствием квантовой корреляции между кубитами, а не результатом случайных флуктуаций или других не связанных процессов. Спектральный анализ подтверждает, что излучаемые фотоны имеют одиночный характер и соответствуют переходам, связанным с запутанным состоянием.

В ходе экспериментов было установлено, что конфигурации нанорешеток с нечетным числом элементов демонстрируют повышенную устойчивость к декогеренции по сравнению с конфигурациями с четным числом элементов. В частности, константа затухания запутанности (τ) для нечетных конфигураций оказалась меньше, чем для четных (τodd < τeven). Это указывает на то, что нечетные конфигурации обеспечивают более эффективную защиту квантовой запутанности от влияния внешних факторов и сохраняют ее в течение более длительного времени. Наблюдаемая разница в константах затухания является важным параметром, характеризующим стабильность и практическую применимость данной системы для квантовых вычислений и передачи информации.

Увеличение числа магнитных наночастиц (MNP) в массиве приводит к затуханию стационарной запутанности, что демонстрируется для различных последовательностей расположения частиц и подтверждается экспериментальными данными (точки) и аппроксимацией затухания (пунктирные линии).
Увеличение числа магнитных наночастиц (MNP) в массиве приводит к затуханию стационарной запутанности, что демонстрируется для различных последовательностей расположения частиц и подтверждается экспериментальными данными (точки) и аппроксимацией затухания (пунктирные линии).

Влияние на Квантовые Технологии: Перспективы и Возможности

Достигнутая стационарная запутанность представляет собой существенный прорыв в реализации практических протоколов квантовой связи, включая перспективную технологию квантовой телепортации. Этот феномен, когда две или более частиц оказываются неразрывно связаны независимо от расстояния, позволяет передавать квантовое состояние между ними, не передавая саму частицу. Подобное свойство открывает возможности для создания абсолютно безопасных каналов связи, поскольку любое перехватывающее вмешательство моментально нарушает запутанность, сигнализируя о попытке несанкционированного доступа. Стационарная запутанность, в отличие от ее летучих аналогов, обеспечивает более стабильную и долговечную связь, что крайне важно для реализации сложных квантовых протоколов и масштабирования квантовых сетей. Успешная демонстрация стационарной запутанности является ключевым шагом на пути к созданию практических квантовых коммуникационных систем и, в конечном итоге, к квантовому интернету.

Предложенная система, основанная на наноструктурированном массиве, представляет собой перспективную платформу для масштабирования квантовых вычислений. В отличие от традиционных подходов, требующих точного контроля над отдельными кубитами, данная архитектура позволяет создавать и взаимодействовать с большим количеством квантовых элементов, используя коллективные эффекты. Способность к созданию стационарной запутанности между элементами массива открывает возможности для реализации сложных квантовых алгоритмов и схем, потенциально превосходящих возможности классических компьютеров. Ключевым преимуществом является возможность увеличения масштаба системы без существенной потери когерентности, что является критически важным для практического применения квантовых технологий. Описание скорости взаимодействия между элементами массива, задаваемое формулой $κ = 3szεmη(rdn³)$, и величины дипольного момента металлических наночастиц, определяемого как $μMNP = 2εm√(3π ε0 ħ η r³)$, позволяет точно моделировать и оптимизировать производительность системы для решения конкретных вычислительных задач.

Возможность генерации одиночных фотонов по требованию значительно расширяет потенциал применения данной технологии. В отличие от источников, генерирующих случайные потоки фотонов, контролируемое создание отдельных частиц позволяет реализовать сложные квантовые протоколы с высокой точностью. Это критически важно для развития квантовой криптографии, где каждый фотон несет в себе бит информации, и для квантовых вычислений, где одиночные фотоны могут представлять кубиты. Точное управление временем и поляризацией генерируемых фотонов открывает возможности для создания сложных квантовых состояний и реализации квантовой запутанности, что является ключевым элементом для перспективных технологий, таких как квантовая телепортация и сверхбыстрые квантовые вычисления. Гибкость в управлении параметрами фотонов делает данную систему универсальной платформой для исследования и разработки новых квантовых устройств.

Архитектура, представленная в данной работе, демонстрирует значительное снижение эффектов декогеренции — основного препятствия на пути к созданию стабильных и надежных квантовых устройств. Декогеренция, процесс потери квантовой информации из-за взаимодействия с окружающей средой, обычно ограничивает время, в течение которого квантовые биты могут сохранять свое состояние. Новая конструкция, благодаря тщательному контролю над взаимодействием между наноэлементами и оптимизации параметров системы, эффективно изолирует квантовую информацию от внешних возмущений. Это позволяет значительно увеличить время когерентности, что критически важно для выполнения сложных квантовых вычислений и реализации перспективных квантовых технологий, таких как квантовая связь и сенсорика. Успешное смягчение декогеренции открывает путь к созданию более масштабируемых и практичных квантовых систем, способных решать задачи, недоступные классическим компьютерам.

Количественное описание взаимодействия между элементами нанорешетки осуществляется посредством параметра связи, определяемого формулой $κ = 3szεmη(rdn³)$. Этот параметр отражает эффективность передачи энергии между соседними наночастицами и критически важен для поддержания когерентности квантовых состояний. Одновременно, величина дипольного момента металлических наночастиц, рассчитываемая как $μMNP = 2εm√(3π ε0 ħ η r³)$, определяет их способность взаимодействовать с электромагнитным излучением и формировать одиночные фотоны. Параметры $εm$, $η$ и $r$ описывают диэлектрическую проницаемость металла, квантовую эффективность и радиус наночастиц соответственно, а величина $sz$ — расстояние между ними, что позволяет точно контролировать характеристики системы и оптимизировать её для конкретных квантовых приложений.

Стационарная когерентность в массивах из четного числа кубитов (n=2 и n=4) демонстрирует зависимость от интенсивности управляющего поля и нормализованной расстройки каждого кубита.
Стационарная когерентность в массивах из четного числа кубитов (n=2 и n=4) демонстрирует зависимость от интенсивности управляющего поля и нормализованной расстройки каждого кубита.

Исследование демонстрирует, что создание стационарной запутанности двух кубитов через одномерные плазмонные нанорешетки открывает новые горизонты в области квантовой коммуникации и вычислений. В основе данного подхода лежит манипуляция диполь-дипольными взаимодействиями между квантовыми точками, что позволяет поддерживать запутанность на расстоянии. Как однажды заметил Пол Дирак: «Я не создаю физику, я открываю ее». Эта фраза отражает суть представленной работы: ученые не конструируют квантовые явления, а раскрывают их фундаментальные закономерности, используя плазмонные структуры для наблюдения и контроля над запутанностью. Если закономерность нельзя воспроизвести или объяснить, её не существует.

Куда же дальше?

Представленная работа демонстрирует, как упорядоченные наноструктуры могут служить своеобразными «квантовыми волноводами», удерживая запутанность между кубитами на расстоянии. Однако, подобно тому, как в биологических системах эффективность передачи сигнала ограничена шумом и потерями, в данной системе необходимо учитывать декогеренцию и несовершенство изготовления нанорешеток. Дальнейшее исследование должно быть направлено на минимизацию этих факторов, возможно, за счет использования топологически защищенных состояний или динамической коррекции ошибок.

Интересно отметить аналогию с физикой конденсированного состояния, где коллективные возбуждения, подобные плазмонам, играют ключевую роль в транспорте энергии. Развитие методов управления этими возбуждениями позволит создавать более сложные и устойчивые квантовые сети. Очевидным направлением является масштабирование системы: переход от двух кубитов к более сложным ансамблям потребует разработки новых архитектур и протоколов управления взаимодействиями.

В конечном счете, успех данной области будет зависеть не только от технологических достижений, но и от углубленного понимания фундаментальных принципов квантовой запутанности. Наблюдаемая здесь стационарная запутанность — лишь первый шаг на пути к созданию действительно долгоживущих и надежных квантовых систем, способных совершить революцию в области вычислений и коммуникаций.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.16016.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-12-20 12:01