Устойчивый масштабируемый квантово-информационный процессинг на ионах бериллия

В опубликованной онлайн 6 августа в журнале "Science Express" (DOI: 10.1126/science.1177077) статье специалисты из Национального института стандартов и технологий США (NIST) сообщили о проведении успешных экспериментов по созданию всех основных элементов, необходимых для проведения масштабируемых, устойчивых и надежных операций над квантовыми битами, реализуемыми на внутренних состояниях захваченных ионов атомов.

В эксперименте использовались ионы бериллия (⁹Be⁺), удерживаемые в ионной ловушке с шестью зонами. Для передвижения ионов из одной зоны в другую использовались электрические поля, а с помощью импульсов определенных частот и длительностей ультрафиолетового лазера менялись энергетические состояния ионов. Ученым из NIST удалось произвести последовательность логических операций (четыре операции над единичными кюбитами и одну операцию над двумя кюбитами). При этом оказалось, что показатель ошибок не возрастал от операции к операции, несмотря на то, что при выполнении операций кюбиты перемещались на макроскопические расстояния 960 мкм, т.е. почти на 1 мм.

Добиться этого удалось благодаря применению двух ключевых инноваций. 1. В качестве хладагентов ("refrigerants") для охлаждения ионов бериллия после их перемещения между зонами в системе использовались два "партнерских" иона магния (²⁴Mg⁺), так что логические операции продолжали выполняться без появления новых ошибок, связанных с нагреванием ионов во время их перемещения. Сильные электрические поля между ионами позволяли охлажденным с помощью лазера ионам магния охлаждать ионы бериллия без возмущения их квантового состояния. Такая техника охлаждения была применена впервые. 2. На разных шагах выполнения операций использовались три различных пары энергетических состояний ионов бериллия, что позволяло сохранять кюбиты при флуктуациях магнитного поля, устраняя, таким образом, еще один источник ошибок. Информация переводилась на разные энергетические уровни ионов бериллия для выполнения логических операций или считывания данных.

Эксперимент был повторен 3150 раз для 16 различных начальных состояний ионов. При этом средняя точность работы квантового процессора составила 94%. Показатель ошибок в 6% все же значительно превышает теоретический порог 0,01% для свободных от ошибок квантовых вычислений. Поэтому свои ближайшие задачи физики из NIST видят в том, чтобы 1) значительно снизить показатель ошибок и 2) научиться управлять ионами в больших матрицах ловушек, т.е. масштабировать созданный ими процессор до практически применимого для вычислений квантового компьютера.

Таким образом, ученым из NIST удалось выполнить с помощью ионного квантового процессора все необходимые для вычислений операции: 1) установить кюбиты в необходимое начальное состояние; 2) произвести логические операции над одним или двумя кюбитами; 3) передать информацию между разными зонами процессора и 4) считать результаты выполненных операций.

Электронный препринт статьи в формате PDF можно взять на arxiv.org/pdf/0907.1865.

Новый рекорд дальности квантового распределения ключа

Ученые и инженеры Женевского университета и компании Corning Incorporated из Нью-Йорка продемонстрировали в конце июля прототип новой системы, дающей возможность распределять квантовый ключ на расстояние 250 км.

Идея квантового распределения ключа (Quantum Key Distribution, QKD) была высказана Чарлзом Беннеттом и Жилем Брассаром еще в 1984 году (Bennett C.H., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing // Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems & Signal Processing, Bangalore, India, December 1984. P. 175-179). И уже через 5 лет, в октябре 1989 года, в лаборатории IBM в Йорктаун Хайтс (Нью-Йорк) был создан "игрушечный" прототип защищенного канала, обеспечивающий связь на расстоянии 32,5 см (Bennett C., Bessette F., Brassard G., Salvail L., Smolin J. Experimental quantum cryptography // Journal of Cryptology. 1992. Vol. 5. No. 1. P. 3-28). За прошедшие два десятилетия дальность была увеличена в многие десятки тысяч раз и в 2007 году достигла 200 км (Hiroki Takesue, et al. Quantum key distribution over 40 dB channel loss using superconducting single photon detectors // arxiv.org/pdf/0706.0397v1). Новый рекорд еще более приблизил ученых к рубежу в 300 км - дальности, соответствующей среднему расстоянию между большими городами.

В недавнем эксперименте швейцарские и американские специалисты получили несколько инновационных технологий: 1) специально разработанный для квантовой коммуникации посредством оптоволоконных сетей протокол (COW-протокол от "coherent one way" - "когерентный односторонний"); 2) сверхпроводящий детектор единичных фотонов с низким уровнем шума и 3) очень высокого качества оптоволокно, производимое компанией Corning Incorporated. Для контроля безопасности коммуникации получатель проверял когерентность посылаемых импульсов, выбирая случайным образом небольшие фракции импульсов и посылая их на интерферометр, который измерял когерентность смежных импульсов. Благодаря этому злоумышленник не мог бы осуществлять атаки по перехвату фотонов, оставаясь незамеченным, так как его действия приводили бы к возмущению системы и детектировались получателем.

В результате внесенных улучшений в технику QKD ученым удалось достичь скорости передачи квантового ключа 15 бит/с по оптоволокну длиной 250 км и 6000 бит/с на расстояние 100 км с очень низким показателем ошибок. Вся система работала в автоматическом режиме и могла действовать часами без всякого вмешательства со стороны экспериментаторов.

Как отметили сами участники этого эксперимента, высокой производительности их COW QKD прототипа удалось достичь, объединив усилия физиков (как теоретиков, так и экспериментаторов), инженеров в области телекоммуникаций и электроники и специалистов в области программного обеспечения. Ближайшие свои задачи они видят в разработке более удобных и быстрых фотонных детекторов с низким уровнем шума, так как сверхпроводящие детекторы не очень практичны, в использовании высокопроизводительной электроники и быстрых алгоритмов. Кроме того, важно уметь сочетать QKD с классическими каналами связи по тем же самым волокнам, используя технику WDM (Wavelength Division Multiplexing).

Результаты эксперимента были опубликованы в журнале "New Journal of Physics" (Vol. 11, Art. 075003, 2009; доступ онлайн: iop.org/EJ/article/1367-2630/11/7/075003/njp9_7_075003.html).

Сергей САНЬКО