Один фотон уместил семь квантовых состояний и прошёл 20 метров оптоволокна
Один фотон научили переносить сразу семь различимых квантовых состояний через 20 метров многомодового оптоволокна и выполнять заданные операции с точностью выше 92,5%. Эксперимент приблизил многомерную квантовую связь к дистанциям, на которых сложное перемешивание света внутри волокна уже становится серьёзной инженерной проблемой.
Исследователи из Пусанского национального и Корейского университетов использовали не обычный двухуровневый кубит, а кудит - квантовую систему с несколькими базовыми состояниями. Информацию кодировали в пространственных модах одиночного фотона, то есть в разных вариантах распределения светового поля внутри волокна. Максимальная размерность системы достигла d = 7.
Многомодовое оптоволокно позволяет свету распространяться сразу по множеству пространственных мод, однако каждая мода проходит волокно немного иначе. По мере увеличения длины различия накапливаются: световые компоненты перемешиваются и приходят с разными задержками. Модальная дисперсия быстро разрушает управляемую структуру квантового состояния и раньше ограничивала подобные эксперименты сравнительно короткими участками волокна.
Команда обошла ограничение с помощью одиночных фотонов с длительной когерентностью, полученных в тёплом ансамбле атомов рубидия-87. Большое время когерентности позволяет сохранить фазовые связи между пространственными модами даже при различиях во времени прохождения через волокно. Дополнительно физики применили цифровое оптическое фазовое сопряжение, которое измеряет и компенсирует сложные искажения световой волны.
После такой компенсации исследователи смогли программировать состояние фотона так, чтобы многомодовое волокно участвовало в выполнении заданных квантовых преобразований. В число проверенных операций вошли обобщённые операторы Паули и квантовое преобразование Фурье. Для систем размерностью до семи исследователи получили точность квантового процесса выше 92,5%.
Работа продолжает эксперимент 2022 года, где часть той же команды передавала многомерные состояния одиночных фотонов через четыре метра многомодового волокна и наблюдала квантовую интерференцию с видимостью выше 95%. Новая установка увеличила длину канала в пять раз и перешла от демонстрации интерференции к программируемому синтезу состояний и выполнению высокоразмерных операций.
До практической квантовой сети расстояние в 20 метров остаётся небольшим. Реальным каналам придётся справляться с потерями фотонов, температурными и механическими изменениями волокна, нестабильностью его передаточных характеристик и гораздо большими расстояниями. Результат показывает другой важный шаг: сложное перемешивание мод внутри многомодового волокна можно не только компенсировать, но и использовать для управляемой обработки высокоразмерной квантовой информации.