Физики предложили управлять парой аналогов кубитов с помощью света

Ученые из МФТИ, Российского квантового центра и других научных организаций рассчитали, как управлять двумя аналогами квантовых битов — кубитов — с помощью лазерных импульсов. В компьютерной модели исследователям удалось создать между ними классическую полевую запутанность — особую связь между волновыми состояниями, при которой их уже нельзя описать независимо друг от друга. Предложенный подход может найти применение при создании аналоговых симуляторов — устройств, воспроизводящих поведение сложных физических систем. Результаты работы опубликованы в журнале physica status solidi (b).

Идея аналогового моделирования состоит в том, чтобы изучать одну физическую систему с помощью другой, которой проще управлять. Информацию в таких устройствах можно кодировать в волновых состояниях, а затем использовать их динамику для воспроизведения различных физических процессов. Однако для создания эффективного симулятора недостаточно научиться управлять каждым его элементом по отдельности: необходимо также формировать и контролировать взаимодействие между ними. Именно эту задачу решали исследователи.

В качестве элементов будущего симулятора ученые выбрали поляритонные конденсаты. Экситон-поляритоны возникают в полупроводниковом микрорезонаторе, когда свет сильно взаимодействует с электронными возбуждениями вещества — экситонами. В результате образуются квазичастицы, сочетающие свойства света и материи. При подходящей лазерной накачке множество поляритонов может перейти в коллективное состояние — конденсат, который описывают как согласованное волновое поле.

Такая система удобна для управления: ее состояние можно изменять с помощью лазерных импульсов, а информацию о нем получать, анализируя испускаемый свет. При этом носителем информации выступает не отдельная квазичастица, а конденсат как единое целое.

Для кодирования информации физики использовали два пространственно локализованных конденсата. В каждом из них поляритоны образуют две области повышенной плотности, так что распределение напоминает гантель. Эти структуры могут ориентироваться вдоль одной из двух осей овальной ловушки. Два соответствующих состояния выбрали в качестве базисных и условно обозначили нулем и единицей.

Подобно состояниям обычного кубита, эти два состояния могут находиться в суперпозиции — сочетании, в котором присутствуют оба варианта. Поэтому такой конденсат можно использовать как аналог кубита. Информация в нем определяется соотношением вкладов двух базисных состояний и разностью их фаз, то есть сдвигом между соответствующими волновыми колебаниями.

В более ранних экспериментах, на которые опиралась новая работа, исследователи уже научились управлять одним поляритонным конденсатом. Из-за овальной формы ловушки два выбранных базисных состояния имели немного различающиеся энергии, а их интерференция приводила к периодическим колебаниям состояния конденсата.

Направляя лазерные импульсы в определенные области ловушки, ученые могли менять частоту, амплитуду и фазу этих колебаний. Теперь исследователи поставили следующую задачу: выяснить, как управлять не одним таким элементом, а совместным состоянием двух связанных конденсатов.

В расчетной модели два конденсата находились в соседних овальных ловушках и взаимодействовали благодаря туннельной связи, через которую могли связываться их волновые состояния. Совместное состояние пары аналоговых кубитов описывали с помощью четырех комбинаций базисных состояний: 00, 01, 10 и 11. Затем физики рассчитали, как лазерное воздействие меняет суперпозицию этих комбинаций.

Расчеты проводили в приближении среднего поля, представляя каждый конденсат как единый объект с двумя выбранными базисными состояниями. В обобщенном уравнении Шредингера для пары таких систем учитывали не только влияние ловушек, удерживающих поляритоны, но и потери частиц, а также их постоянное поступление из двух отдельных резервуаров экситонов. Поскольку сами резервуары менялись со временем, исследователи моделировали их динамику одновременно с динамикой конденсатов.

В предложенной схеме использовали два коротких световых импульса, направленных на области левой и правой ловушек. Под действием света в этих областях возникали дополнительные облака экситонов. Они отталкивали поляритоны, изменяя условия их движения внутри ловушек. Таким образом, лазерные импульсы позволяли целенаправленно воздействовать на каждый конденсат и управлять состоянием всей системы.

Решающую роль играло положение световых пятен. Поскольку два базисных состояния отличаются пространственным распределением поляритонов, одно и то же локальное воздействие влияло на них по-разному. Подбирая места приложения импульсов, ученые могли изменять соотношение базисных состояний и разность их фаз. В ходе расчетов они искали такие параметры воздействия, при которых связь между состояниями двух конденсатов становилась максимально выраженной.

В одном из рассмотренных вариантов световые импульсы создавали локальные возмущения характерной шириной около одного микрометра — 0,001 миллиметра. Несмотря на небольшой размер области воздействия, оно позволяло менять динамику волновых состояний и влиять на совместное поведение двух элементов.

В начале моделирования состояние системы задавали как независимую комбинацию состояний двух конденсатов. После воздействия лазерных импульсов это описание переставало работать: совместное состояние уже нельзя было представить в виде произведения двух отдельных состояний — по одному для каждого конденсата. Возникшую связь исследователи характеризуют как классическую полевую запутанность. Важно, что речь идет о корреляции между классическими волновыми полями, а не о квантовой запутанности двух полноценных квантовых систем.

Степень такой связи оценивали с помощью специального показателя — негативности. В рамках выбранной модели он вырос от нуля до значения, близкого к максимально возможному, — 0,5. Таким образом, компьютерное моделирование продемонстрировало возможность создавать с помощью света классический волновой аналог запутанного состояния двух кубитов. Результат показывает, что управлять можно не только отдельными элементами поляритонной системы, но и их совместным состоянием.

Практическая значимость подхода заключается в возможности перейти от управления отдельными элементами симулятора к выполнению операций над их парами. В перспективе подобные операции могут стать основой поляритонных платформ аналогового моделирования, в которых сложные физические процессы воспроизводятся за счет управляемой динамики волн.

Стелла Кавокина, заместитель директора Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ, так прокомментировала результаты работы: «Мы разработали экспериментально осуществимый и относительно простой подход к получению классически запутанного состояния двух поляритонных кубитов, необходимого для создания поляритонной платформы аналогового моделирования».

Источник: Физики предложили управлять парой аналогов кубитов с помощью света — За науку