Недавно исследовательская группа под руководством Фэн Мана из Института точных измерений и инновационных технологий в квантовой физике Китайской академии наук совместно с Чжэнчжоуским университетом и другими организациями впервые реализовала ускорение квантовой запутанности в неэрмитовой системе на экспериментальной платформе с ионной ловушкой, успешно превзойдя традиционный эрмитов предел квантовой скорости. В эксперименте скорость приготовления запутанного состояния была увеличена в 1,52 раза по сравнению с исходным протоколом. Соответствующие результаты были опубликованы онлайн 28 мая в журнале Physical Review Letters.
Квантовая запутанность является ключевым ресурсом в квантовых вычислениях, квантовой связи и квантовом зондировании. Для выполнения сложных вычислений высокопроизводительные квантовые чипы должны быстро и стабильно устанавливать запутанность между кубитами; квантовая связь полагается на запутанность для безопасной передачи информации; а квантовое зондирование использует запутанность для повышения чувствительности измерений. Долгое время в традиционных эрмитовых квантовых системах скорость генерации запутанности была ограничена силой связи между кубитами. Чем сильнее связь, тем быстрее может быть приготовлена запутанность, однако в экспериментальных системах существуют практические ограничения, такие как мощность лазера, моды движения ионов, декогеренция и точность управления. Поэтому вопрос «можно ли ускорить генерацию запутанности без увеличения силы когерентной связи» долгое время оставался важной проблемой в области квантового управления.
Предложенный в данном исследовании подход заключается в использовании контролируемой диссипации и эффекта точек исключения в неэрмитовых системах. Обычно диссипация считается неблагоприятным фактором, разрушающим квантовую когерентность, поскольку она приводит к утечке квантовых состояний, декогеренции или снижению вероятности успеха. Исследовательская группа не стала просто избегать диссипации, а превратила её в проектируемый ресурс в эксперименте, приблизив параметры системы к точке исключения неэрмитовой системы. В этих условиях геометрическая структура гильбертова пространства изменяется, траектория эволюции квантового состояния сжимается, и процесс генерации запутанности получает эффект, подобный «сокращению пути».
Экспериментальная платформа использует два иона кальция, образующих линейную ловушку Пауля. Кубиты кодируются на основном и метастабильном энергетических уровнях ионов. Исследовательская группа использовала лазер с длиной волны 729 нм для управления когерентными переходами кубитов, лазер с длиной волны 854 нм для создания регулируемого диссипативного канала, а также двухцветное лазерное поле для реализации эффективного взаимодействия между двумя ионами. При наличии только когерентного взаимодействия сила связи составляла J = 2π × 625 Гц, что соответствовало времени приготовления состояния Белла 200 мкс. При фиксированной силе когерентной связи экспериментаторы постепенно регулировали неэрмитовы параметры, сокращая время приготовления запутанности до 177 мкс, 155 мкс и 132 мкс. Самый быстрый протокол показал ускорение примерно в 1,52 раза по сравнению с традиционным эрмитовым протоколом.
Научно-техническая ценность этого результата заключается в переносе неэрмитовой физики от теоретических механизмов ускорения к экспериментам с квантовой информацией на ионных ловушках. Системы ионных ловушек обладают высокой когерентностью и управляемостью, что делает их важной платформой для квантовых вычислений и прецизионных измерений; неэрмитовы системы, в свою очередь, предоставляют новое измерение для управления эволюцией квантовых состояний. Сочетание этих двух подходов позволяет исследователям изучать более быстрые квантовые вентили, методы приготовления запутанности и управления состояниями без простого увеличения силы когерентной связи. Для будущих квантовых вычислений чем быстрее квантовый вентиль, тем больше операций система может выполнить до наступления декогеренции, что потенциально может улучшить глубину квантовых схем и надёжность вычислений.
Эксперимент также выявил цену механизма ускорения. Неэрмитово ускорение основано на контролируемой диссипации: чем быстрее генерируется запутанность, тем выше вероятность утечки населённости за пределы вычислительного подпространства, что соответственно снижает вероятность успеха. Это означает, что данная технология не повышает эффективность всех квантовых операций безоговорочно, а ищет новый баланс между скоростью, точностью, вероятностью успеха и стабильностью системы. Дальнейшие исследования потребуют оптимизации неэрмитовых параметров, диссипативных каналов, методов считывания и механизмов компенсации ошибок, чтобы определить, можно ли распространить этот метод ускорения на большее количество кубитов, более сложные квантовые вентили и программируемые квантовые процессоры.
С точки зрения промышленного и научного применения, ускорение квантовой запутанности не приведёт немедленно к созданию коммерческих квантовых компьютеров, но оно открывает новое экспериментальное направление для высококачественного квантового управления. Квантовые вычисления, квантовая связь и квантовое зондирование зависят от стабильных и контролируемых ресурсов запутанности. Любая технология, способная сократить время приготовления и расширить возможности управления, может обеспечить фундаментальную поддержку для будущей интеграции квантовых систем. Успешная реализация ускорения запутанности в неэрмитовой ионной ловушке китайской научно-исследовательской группой показывает, что контролируемая диссипация больше не является лишь помехой, которую необходимо подавлять, а может стать эффективным инструментом для проектирования более быстрых процессов квантовой эволюции. По мере дальнейшей верификации соответствующих механизмов, неэрмитово квантовое управление может сыграть более значительную роль в создании высокоточных квантовых вентилей, приготовлении сложных запутанных состояний и квантовых прецизионных измерениях.