Почему обычный свет может стать основой квантового компьютера?
Физики из Университета штата Луизиана создали устройство, которое умеет обрабатывать квантовую информацию, используя не хрупкие одиночные частицы, а обычный яркий свет. В экспериментальной установке одновременно работает до 40 фотонов, при этом система сохраняет устойчивость при комнатной температуре и сильном шуме. Это первый подобный многомотонный квантовый резервуар, чьи результаты опубликованы в журнале Advanced Science.
Как из обычного света получают квантовые эффекты
Исследование опирается на давно известный факт: интенсивность классического света постоянно колеблется. От одного измерения к другому число фотонов, попадающих в детектор, немного меняется. Лаборатория квантовой фотоники при Университете штата-рия рассмотрела эти флуктуации не как помеху, а как скрытый ресурс. Ключевым инструментом стали фотонные детекторы, которые могут отдельно подсчитывать приходящие частицы — вместо того, чтобы просто фиксировать общий импульс.
Выделяя события с конкретным числом фотонов, учёные смогли «переключаться» между разными многофотонными состояниями внутри одного и того же луча. Затем к ним добавили два других свойства света — поляризацию и пространственную структуру. Комбинация этих трёх параметров создаёт сеть из множества связанных каналов. Именно такой сетевой ансамбль стал основой квантового резервуара. В описанном варианте физики получили 861 измеримый компонент для дальнейшей обработки информации.
Идея в том, что сложные преобразования выполняются не алгоритмом, а самим физическим объектом. Этот подход носит название резервуарные вычисления. Информация подаётся в сеть, распространяется по хаотичным путям, затем записывается итоговый узор. Обучать приходится только выходящий классификатор, а весь внутренний комплекс развивается сам, по законам оптики. В этом эксперименте свет сам выполнил запутанные вычисления, а фотоный детектор позволил прочитать зашифрованную в сигнале информацию.
Проверка на трудных примерах: случайные блуждания и тепловая энергия
Первым испытанием стала работа установки как квантового симулятора. Так называют устройство, которое одну физическую систему и использует для подражания другой. Исследователи попросили свой резервуар воспроизвести процесс квантового случайного блуждания — даже когда оптическая сеть специально зашумлялась, усечение по числу фотона восстановило характерную картину распространения. Смешанное состояние идеально совпадало с расчётным.
Затем световую систему попробовали на другой задаче — моделирование терморазделения и её противоположности — анти-терморазделения. Это процессы, в которых беспорядок внутри многих-частичной системы либо нарастает, либо сжимается со временем. Одна и та же платформа без замены компонентов смогла показать оба феномена, в нужной последовательности. Эти тесты продемонстрировали, что даже без перенастройки чужих элементов machine может переключаться между разными квантовыми динамиками.
Но самый значительный результат обнаружился дальше. Устройство зафиксировали в случайном состоянии и попытались обучать. Оптический резервуар принимал входной сигнал, закодированный в поляроиде, и раскладывал его на сотни новых компонентов через структурные м, атомные частоты. Обучение прошло не на шаблоне, а на этой виртуальной копии. Всего платформа выучила шесть разных математических функций. При самых нелинейных задачаах использование полного распределения количества фотонов давало лучшие прогнозы. Это показало, что статистика высоких порядков насыщена полезными квантовыми корреляциями для вычислений.
Почему детали физики здесь влияют на результат
Обычные компьютеры работают с надёжными битами. Квантовые же альтернативы часто проигрывают из-за того, что их базовые кубиты чрезвычайно чувствительны к среде: малейший шум обрушивает вычисления. Поэтому большинство лабораторных квантовых машин приходится охлаждать почти до абсолютного нуля и защищать оттеля от любого воздействия. Работа LSU при комнатной температуре и в поведениях, близких к реальным, означают, что подобную технологию можно быстрее вывести из научной лаборатории в заводскую и полевую среду. Не только в изолированные холодильные установки.
Новая гибридная технология на пороге
Принцип, использованный в Луизиане, строится на комбинации, а не на противопоставлении. Классическое оптоволокно даёт большое количество физических фотонов. Его легко настраивать и контролировать, он не требует ядерных комплексов. Затем фотонные счётчики уменьшают распределение по размеру после квантового преобразования. Такой гибридный тип сборки может масштабироваться: максимум до 40 частиц на сегодня — не предел, а скорее граница возможностей существующих детекьторов. При ускорении и улучшении их разрешающих одиноких фотонов можно открыть доступ к точно более широким — многокутным — состояниям.
У команды Хунга и Маганы-Лоаисы есть как научный результат, так и прагматичный взгляд. Вместо массивных сверхпроводящих конструктов они предложили методом извлечения квантового потенциала из того, что уже есть в любом оптическом институте. Одно, происходит ли это сознательно. Обычные флуктуации классического света при правильном измерении превращаются в расш tandem многомоторного квантового — тем самым открывается путь к симуляции сложных многих тел, обучению нейросетей на физическом принципе и моделированию новых материалов.
Но: достаточно ли быстрых и доступных фотосчётчиков станет в ближайшие годы, чтобы превратить этот опыт в обычное лабораторное устройство повсеместно?
