Новая схема извлекает больше информации из каждого измерения, требует на 20% меньше повторений, чем стандартный эксперимент и продолжает работать при потере фотонов
21 августа 2026, 22:27Наука и космосDarth Sahara1
Исследователи из Университета Твенте (Нидерланды) усовершенствовали традиционный метод проверки сходства отдельных фотонов. В отличие от обычной схемы, где одновременно сравниваются две частицы, они инициировали интерференцию трех фотонов. Это позволяет извлекать больше данных из каждого измерения и сокращает количество повторений на почти 20%, необходимых для достижения той же точности. Результаты представлены в журнале Physical Review Letters.
Для фотонных квантовых технологий критически важно, чтобы используемые фотоны были как можно более идентичны. На практике они никогда не бывают абсолютно одинаковыми, поэтому перед выполнением вычислений важно проверить степень их совпадения. С 1987 года для этой цели широко применяется эксперимент Хонга — У — Мандела (англ. Hong-Ou-Mandel effect): два фотона направляются на светоделитель — оптический элемент, который разделяет световой поток. Если фотоны неразличимы по своим характеристикам, они покидают светоделитель вместе из-за квантовой интерференции.
Недостаток такого подхода становится очевидным при увеличении масштабов фотонных квантовых систем. Старый тест сравнивает фотоны попарно. Для 10 фотонов необходимо проверить 45 различных пар, и каждое сравнение требует тысяч повторений: квантовый эксперимент каждый раз дает только один конкретный результат, и только после накопления значительного количества измерений можно определить статистическое распределение исходов. Именно оно показывает, насколько хорошо фотоны совпадают.
Учёные из Твенте добавили ко первому светоделителю второй, что позволяет задействовать сразу три фотона. В результате одна экспериментальная конфигурация обеспечивает извлечение информации о нескольких попарных совпадениях одновременно. Это использует квантовую интерференцию, возникающую при совместном прохождении фотонов через оптическую систему, и примерно на 20% уменьшает количество повторений, необходимых для достижения заданной точности.
Чтобы подтвердить, что новая схема действительно извлекает максимально возможный объём информации, физики применили матрицу Фишера — математический инструмент, который демонстрирует, сколько информации конкретное измерение содержит о неизвестном параметре. Для трех фотонов расчёты подтвердили оптимальность предложенной конфигурации: при заданных условиях невозможно получить больше информации с помощью другого измерения.
При этом преимущество сохраняется даже при реальных потерях фотонов. Для фотонных систем это особенно критично: вероятность утраты частицы возрастает с количеством одновременно используемых фотонов. Однако в новой схеме потеря одного из трёх фотонов не приводит к полной потере измерения. Оставшиеся два автоматически проходят через часть конфигурации и обеспечивают стандартный двухфотонный тест Хонга — У — Мандела. Таким образом, одна и та же схема одновременно предлагает улучшенное трёхфотонное измерение и стандартное двухфотонное.
Эксперимент подтвердил преимущество новой методики даже в сравнении с идеальным двухфотонным тестом, в котором отсутствуют шумы и потери. Более того, согласно расчетам авторов, это преимущество сохраняется при любой ненулевой эффективности передачи фотонов через установку, что делает метод пригодным для реальных экспериментальных систем. Схему можно расширить на четыре или пять фотонов, хотя для такого количества частиц пока не продемонстрировано, что она останется оптимальной.
В настоящее время метод в первую очередь предназначен для лабораторий квантовой оптики, где необходимо регулярно проверять качество источников фотонов. В дальнейшем такую процедуру можно использовать как этап калибровки или встроенный диагностический модуль в масштабных фотонных квантовых компьютерах, где число одновременно используемых фотонов может достигать сотен.
Источники:Physical Review LettersНаука и космос1Квантовые вычисленияКвантовые компьютерыСверхпроводящие технологии21 авг 22:27
Источник