Новая схема извлекает больше информации из каждого измерения, требует на 20% меньше повторений, чем стандартный эксперимент и продолжает работать при потере фотонов
21 августа 2026, 22:27Наука и космосDarth Sahara1
Исследователи из Университета Твенте (Нидерланды) усовершенствовали традиционный метод проверки схожести отдельных фотонов. Вместо обычной схемы, в которой сравниваются 2 частицы одновременно, они инициировали интерференцию 3 фотонов. Это позволяет извлекать больше данных из каждого измерения и почти на 20% уменьшает количество повторений, необходимых для достижения той же степени точности. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Для технологий фотонной квантовой обработки критически важно, чтобы используемые фотоны были как можно более идентичными. На практике достичь полной идентичности невозможно, поэтому перед выполнением вычислений необходимо оценить степень их соответствия. С 1987 года для этой цели широко применяется эксперимент Хонга — У — Мандела (англ. Hong-Ou-Mandel effect), где 2 фотоны направляются на разделитель света — оптический элемент, который делит световой поток. Если фотоны неразличимы по своим характеристикам, то благодаря квантовой интерференции они покидают разделитель вместе.
Недостаток такого подхода становится очевидным при масштабировании фотонных квантовых систем. Старый тест сравнивает фотоны по парам. Для 10 фотонов необходимо проверить уже 45 различных пар, а каждое сравнение требует тысяч повторений: квантовый эксперимент даёт только один конкретный результат, и только после накопления значительного числа измерений можно определить статистическое распределение исходов, которое демонстрирует, насколько хорошо фотоны совпадают.
Ученые из Твенте добавили ко первому разделителю света второй, что позволяет подключать к взаимодействию сразу 3 фотона. В результате одна экспериментальная конфигурация позволяет извлекать информацию сразу о нескольких парных совпадениях. Это использует квантовую интерференцию, возникающую при совместном прохождении фотонов через оптическую систему, и примерно на 20% снижает количество повторений, требуемых для достижения заданной точности.
Чтобы проверить, действительно ли новая схема извлекает максимальный объём информации, физики использовали матрицу Фишера — математический инструмент, который демонстрирует, сколько информации конкретное измерение содержит о неизвестном параметре. Для 3 фотонов расчеты подтвердили оптимальность предложенной конфигурации: при заданных условиях невозможно извлечь больше информации с помощью другого измерения.
При этом преимущество не исчезает из-за реальных потерь фотонов. Для фотонных систем это особенно критично: вероятность потери частицы увеличивается с числом одновременно используемых фотонов. Однако в новой схеме потеря одного из 3 фотонов не приводит к полной потере измерения. Оставшиеся 2 автоматически проходят через часть установки и предоставляют обычный двухфотонный тест Хонга — У — Мандела. Таким образом, одна и та же схема одновременно обеспечивает улучшенное трёхфотонное измерение и стандартное двухфотонное.
Эксперимент подтвердил преимущества новой методики даже в сравнении с идеальным двухфотонным тестом, в котором отсутствуют шумы и потери. Более того, согласно расчетам авторов, преимущества сохраняются при любой ненулевой эффективности передачи фотонов через установку, что делает метод пригодным для реальных экспериментальных систем. Схему можно расширить на 4 или 5 фотонов, хотя для такого количества частиц пока не доказано, что она останется оптимальной.
В настоящее время метод в первую очередь предназначен для лабораторий квантовой оптики, где необходимо регулярно проверять качество источников фотонов. В будущем такую процедуру можно использовать как этап калибровки или встроенный диагностический модуль в крупных фотонных квантовых компьютерах, где количество одновременно используемых фотонов может достигать сотен.
Источники:Physical Review LettersНаука и космос1Квантовые вычисленияКвантовые компьютерыСверхпроводящие технологии21 авг 22:27
Источник