Световой счет до десяти тысяч экспресс
Вы наливаете воду в стакан, но хотите получить ровно миллион капель — не приблизительно, а точно. Обычный кран льет струю, где число капель всегда разное. В квантовом мире с фотонами та же беда: лазер выдает свет, где количество частиц гуляет, как толпа на площади. А для многих задач — от сверхточных измерений до квантовых компьютеров — нужны состояния с идеально определенным числом фотонов, так называемые фоковские состояния.
Раньше их получали двумя способами. Первый — ждать случайного события, когда в луче само собой окажется нужное число фотонов. Второй — хитро управлять системой, постоянно подкручивая параметры. Оба пути мучительны: либо вероятность успеха мизерна, либо управление чудовищно сложное. Авторы новой работы предложили третий путь — адаптивный протокол измерений. Квантовая система (свет в резонаторе) связана с крошечным датчиком — вспомогательным кубитом. Над кубитом проводят серию измерений, но не одинаковых, а таких, где интервал между измерениями зависит от предыдущего результата. Это похоже на игру в «горячо-холодно»: после каждого шага мы узнаем, ближе ли к цели, и подстраиваем следующий шаг.
В расчетах на модели Джейнса-Каммингса (свет взаимодействует с кубитом) большой когерентный импульс — грубо говоря, лазерный луч — почти наверняка превращается в фоковское состояние с десятком тысяч фотонов всего за десять раундов измерений. Средняя точность (fidelity) — около 87%. Если же нужна точность выше 99%, то с вероятностью 35% можно получить состояние с числом фотонов от 20000 − √20000 до 20000 + √20000. Это огромный шаг вперед по сравнению с прежними попытками.
Практическая ценность велика. Большие фоковские состояния — это ресурс для квантовой метрологии: с их помощью можно измерять расстояния, поля и силы с точностью, недостижимой в классической физике. А в квантовых вычислениях такие состояния служат носителями информации, защищенной от ошибок. Новый протокол не требует экзотического оборудования — достаточно резонатора, кубита и стандартных измерений. Это приближает день, когда квантовые устройства с макроскопическими фоковскими состояниями станут обычным инструментом.
Так световой луч, похожий на нестройную толпу, превращается в горсть песка, где каждую песчинку пересчитали поштучно.
Чтобы ощутить разницу: в ярком лазерном луче число фотонов за секунду — примерно $10^{16}$, но оно никогда не бывает точно известно. Фоковское состояние с 10 000 фотонов — это как горсть песка, где каждую песчинку пересчитали поштучно.
В романе «Слепящая тьма» Артура Кёстлера герои пытаются достичь абсолютного знания, но сталкиваются с неопределенностью. Здесь же ученые, наоборот, укрощают неопределенность, превращая вероятностный мир фотонов в царство точных чисел.