Хотя универсальность модели однонаправленных квантовых вычислений доказана уже около 20 лет назад [Lloyd1999], и с тех пор были предложены различные варианты схем выполнения универсального набора вентилей в непрерывных переменных, физическая реализация данных протоколов упирается в слишком высокие (недостижимые на сегодня) требования к сжатию квантовых осцилляторов, лежащих в основе таких вычислений. Мы планируем модифицировать вычислительные схемы, уменьшив требование на сжатие осцилляторов. При этом мы будем работать над изменением как конфигурации кластерных квантовых состояний, являющихся ресурсом для проведения вычислений, так и самих логических вентилей.
Разработка квантовых преобразований многомерных физических систем на сегодня заметно отстает от нашего умения работать с кубитами. Проект направлен на преодоление этого отставания и поиск методов управления кудитами, реализуемыми на основе пространственно-многомодового света, обладающего орбитальным угловым моментом. Данная квантовая степень свободы света является привлекательной, поскольку, принимая любые целочисленные значения, орбитальный момент предоставляет неограниченный информационный ресурс. Кроме того, такая система может быть описана не только в дискретных, но и в непрерывных переменных. Комбинируя подходы к выполнению преобразований в непрерывных и дискретных переменных, мы надеемся найти возможность выполнения как однокудитных, так и управляемых двухкудитных операций в схемах квантовой памяти.
Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту:
Несмотря на довольно молодой возраст исполнителей проекта, они уже накопили значительный опыт совместной работы над научными проектами.
Королев С.Б., Вашукевич Е.А. и Зинатуллин Э.Р. были исполнителями проекта РФФИ «Многомодовые корреляции в однонаправленных квантовых вычислениях», выполняемого под руководством Голубевой Т.Ю. (2019-2021 гг.)
Все четверо участников проекта являлись исполнителями по гранту РФФИ «Генерация и управление высококоррелированными многомодовыми атомно-полевыми квантовыми состояниями для применений в квантовой информации» (2018-2020 гг., рук. Соколов И.В.)
Вашукевич Е.А. является исполнителем по проекту РФФИ «Использование орбитального углового момента света в схемах квантовой информатики», выполняемому под руководством Голубевой Т.Ю. в рамках конкурса «Аспирант» (2020-2021 гг.).
В ходе выполнения этих проектов ими были получены следующие результаты:
- конфигурации кластерных состояний проанализированы с точки зрения степени перепутанности многочастичного состояния. Выявлены условия на связь между степенью сжатия исходных осцилляторов и конфигурацией кластерного состояния [1].
- построена общая теория гауссовых вычислений в рамках кластерной идеологии. Выявлены конфигурации кластерных состояний обеспечивающие возможность проведения универсальных вычислений [2].
- ошибки гауссовых вычислений оценены для всех возможных универсальных конфигураций кластеров. Проведены построения вычислительных схем за рамками стандартной модели однонаправленных вычислений, оценены ошибки таких гибридных схем вычислений [3].
- проведен анализ влияния дифракции для разных конфигураций протокола многомодовой резонансной квантовой памяти на тепловых атомных ансамблях. Предложены способы минимизации этого влияния [4].
- построена квантовая теория генерации многомодового света с различными орбитальными угловыми моментами в резонаторной конфигурации с нетривиальной накачкой. Выявлены истинные квантовые степени свободы такой системы, на основе которых построено квантовое кластерное состояние [4].
- разработан протокол пространственно многомодовой квантовой памяти для хранения оптических мод с определенным угловым моментом [5].
- построен протокол преобразования мод с орбитальным угловым моментом на ячейке квантовой памяти. Выявлены оптимальные геометрические параметры полей для эффективного преобразования [5].
Указанные результаты являются существенным научным заделом для решения задач проекта, поскольку демонстрируют владение методами, на которых базируется выполнение проекта, а также глубокое понимание сложностей и особенностей работы многомодовых квантовых систем.
[1] Korolev, S. B. ; Manukhova, A. D. ; Tikhonov, K. S. ; Golubeva, T. Y. ; Golubev, Y. M. / Criteria of minimum squeezing for quantum cluster state generation. Laser Physics Letters. 2018 ; 15(7). https://doi.org/10.1088/1612-202X/aac03e , IF 2.328, Q2
[2] Korolev, Sergey ; Golubeva, T.Yu. ; Golubev, Yu. M. / Finding the optimal cluster state configuration. Cluster states classification by type of computations. Laser Physics Letters. 2020 ; 17(3), 035207. https://doi.org/10.1088/1612-
202X/ab6ffe , IF 2.328, Q2
[3] Korolev, S. B. ; Golubeva, T. Yu. ; Golubev, Yu. M. . / Finding the optimal cluster state configuration. Minimization of oneway quantum computation errors. Laser Physics Letters. 2020 ; 17(5). https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab83ff , IF 2.328, Q2
[4] Vashukevich, E. A. ; Losev, A. S. ; Golubev, Yu M. ; Golubeva, T. Yu. / Squeezed supermodes and cluster states based on modes with orbital angular momentum. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 2019 ; 99(2). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.99.023805 , IF 2.777, Q1
[5] Vashukevich, E. A. ; Golubeva, T. Yu ; Golubev, Yu M. / Conversion and storage of modes with orbital angular momentum in a quantum memory scheme. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 2020 ; 101(3). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.033 , IF 2.777, Q1
