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 идентичности отдельных фотонов. Вместо привычного подхода, при котором сравниваются две частицы одновременно, они заставили интерферировать три фотоны. Это позволяет извлекать больше данных с каждого измерения и уменьшает количество повторений, необходимых для достижения аналогичной точности, почти на 20%. Результаты представлены в журнале Physical Review Letters.
Для фотонных квантовых технологий критически важно, чтобы используемые фотоны были максимально идентичны. На практике они не могут быть полностью одинаковыми, поэтому перед проведением расчетов необходимо проверить степень их совпадения. С 1987 года для этой цели активно применяется эксперимент Хонга — У — Мандела (англ. Hong-Ou-Mandel effect): два фотона направляются на светоделитель — оптический элемент, который разделяет световой поток. Если фотоны неразличимы по своим характеристикам, они покидают светоделитель одновременно благодаря квантовой интерференции.
Проблема данного подхода становится очевидной при масштабировании фотонных квантовых систем. Старый тест сравнивает фотоны попарно. Для десяти фотонов необходимо проверить уже 45 различных пар, и каждое сравнение требует тысяч повторений: квантовый эксперимент в каждом случае дает лишь один конкретный результат, и только после накопления значительного числа измерений можно определить статистическое распределение исходов. Именно оно демонстрирует, насколько хорошо фотоны совпадают.
Ученые из Твенте добавили ко первому светоделителю второй, что позволяет одновременно взаимодействовать трем фотонам. В результате одна экспериментальная конфигурация позволяет извлекать информацию сразу о нескольких попарных совпадениях. Это использует квантовую интерференцию, возникающую при совместном прохождении фотонов через оптическую схему, и примерно на 20% снижает количество повторений, необходимых для достижения заданной точности.
Чтобы удостовериться, что новая схема действительно извлекает максимально возможный объем информации, физики применили матрицу Фишера — математический инструмент, показывающий, сколько информации конкретное измерение содержит о неизвестном параметре. Для трех фотонов расчеты подтвердили оптимальность предложенной конфигурации: при данных условиях невозможно получить больше информации другим способом.
При этом преимущество сохраняется даже при реальных потерях фотонов. Для фотонных систем это особенно важно: вероятность потери частицы увеличивается с числом одновременно используемых фотонов. Однако в новой схеме утрата одного из трех фотонов не приводит к полной потере измерения. Оставшиеся два автоматически проходят через часть установки и дают стандартный двухфотонный тест Хонга — У — Мандела. Таким образом, одна и та же схема одновременно обеспечивает улучшенное трехфотонное 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 применимым для реальных экспериментальных систем. Схему можно расширить на четыре или пять фотонов, хотя для такого количества частиц пока не показано, что она останется оптимальной.
В настоящее время метод в первую очередь предназначен для лабораторий квантовой оптики, где регулярно требуется проверять качество источников фотонов. В будущем такую процедуру можно использовать как этап калибровки или встроенный диагностический модуль в масштабных фотонных квантовых компьютерах, где число одновременно используемых фотонов может достигать сотен.
Источники:Physical Review LettersНаука и космос1Квантовые вычисленияКвантовые компьютерыСверхпроводящие технологии21 авг 22:27
Источник