28.01.2020 №4

image

Квантовые информационные технологии обещают грандиозные технологические сдвиги.

Интернет нового поколения будет защищен от взлома квантовой криптографией, исключающей эффективность массированных хакерских атак. Квантовые компьютеры смогут решать задачи, недоступные для обычных современных компьютеров, даже объединенных в огромные кластеры.

Носитель информации

Квантовая метрология многократно увеличит чувствительность оптических измерений, позволяя разглядеть более мелкие объекты, в т. ч. биоструктуры на клеточном и субклеточном уровнях. Основные принципы работы этих устройств хорошо понятны с научной точки зрения, всесторонне исследованы, а некоторые прототипы даже доступны на рынке. Однако их широкое внедрение требует разработки надежных методов создания квантовых состояний носителя информации. Им может выступать либо вещество, либо электромагнитное поле.

Одним из самых перспективных кандидатов на роль носителя квантовой информации является оптическое поле, т. е. пучок света. Он используется для связи по оптическому волокну почти в каждом доме, а оптическая микроскопия – наиболее распространенный источник информации о микромире. Для квантовых компьютеров оптическое поле – один из нескольких вариантов носителя информации наряду со сверхпроводящими контурами и одиночными атомами в ловушках.

В квантовом устройстве информация записывается в виде определенного состояния носителя, которое называется неклассическим или квантовым, потому что быстро разрушается при взаимодействии с окружением. В отличие от традиционных, классических носителей информации квантовый должен быть полностью изолирован от окружения. В упрощенном виде принципиальная разница такова: квантовые состояния вещества легко создать, но сложно изолировать от окружения, а квантовые состояния света, наоборот, сложно создать, но легко изолировать. Пучок света, распространяющийся в воздухе, оптическом волокне или волноводе, почти идеально изолирован от окружения. Таким образом, для оптических квантовых информационных технологий, избравших свет носителем информации, основная технологическая задача – создание источников квантовых состояний света.

Свет тепловых источников, таких как Солнце или лампы накаливания, не годится для записи квантовой информации, поскольку подвержен сильному тепловому шуму – случайным колебаниям (флуктуациям) амплитуды и фазы. Свет лазера гораздо лучше пригоден в качестве носителя информации, однако и его амплитуда, и фаза флуктуируют на очень низком, квантовом уровне, связанном с соотношением неопределенности Гейзенберга. Дело в том, что амплитуда и фаза световой волны являются взаимно дополнительными переменными и не могут одновременно принимать определенные значения. Они всегда зашумлены – имеют неопределенности, произведение которых не может быть меньше постоянной Планка, деленной на два. Для лазерного излучения эти неопределенности равны между собой, т. е. квантовый шум распределен поровну между амплитудой и фазой. Именно поэтому лазерный свет слишком зашумлен – ни его амплитуду, ни фазу нельзя использовать для квантового кодирования. Однако квантовый шум можно переместить только в амплитуду или только в фазу, оставив вторую переменную для записи квантовой информации. Именно это и происходит в квантово-сжатом свете, генерируемом при нелинейно-оптических преобразованиях лазерного излучения. Квантово-сжатый свет – пример квантового состояния света, широко исследуемого для приложений в оптических квантовых информационных технологиях, в том числе в Институте физики НАН Беларуси, в Центре квантовой оптики и квантовой информатики, руководимом академиком Сергеем Килиным.

Новая мера

Для сравнения различных состояний света необходима единая мера квантованности, которая показывала бы, насколько в данном состоянии квантовый шум перераспределен по сравнению с лазерным светом, и соответственно, насколько данное состояние пригодно для записи квантовой информации. В недавней работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, автором этих строк совместно с французскими коллегами из университета Лилля выдвинута новая концепция данной меры. В публикации рассматривается добавление к свету бесконечно малого количества Гауссова шума, равномерно распределенного между амплитудой и фазой, и вычисляется, на какую бесконечно малую величину увеличится энтропия поля.

Отношение этих бесконечно малых величин дает скорость роста энтропии – вычислимую меру квантованности. На основе меры была введена квантовая дистанция – степень удаленности данного состояния от множества когерентных состояний, т. е. состояний лазерного излучения. Квантовая дистанция – универсальная невычислимая мера, для которой верхней границей служит скорость роста энтропии, а нижней границей – та же скорость минус единица. Данная мера позволяет рассчитывать и оптимизировать источники квантовых состояний поля, а также сравнивать их между собой, и таким образом вносит вклад в приближение эры квантовых информационных технологий.

Дмитрий ХОРОШКО, Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси

Фото М. Гулякевича, «Навука»