Квантовые компьютеры обещают решать задачи, на которых классические машины буксуют, но построить их — отдельная головная боль. Физики перебирают платформы: сверхпроводящие цепи, ионы в ловушках, нейтральные атомы. Фотоны — частицы света — стоят в этом списке особняком. Они почти не замечают шума окружающей среды, ими легко управлять, но есть загвоздка: фотоны не взаимодействуют друг с другом. А без взаимодействия нет логических операций, нет запутанности, нет квантовых алгоритмов.

Команда из Института фотонных квантовых систем (PhoQS) Университета Падерборна нашла обходной путь. В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи описывают, как им удалось реализовать квантовый вентиль C-NOT — один из базовых элементов квантовых вычислений — с точностью около 94%. Главное новшество не в самом вентиле, а в архитектуре: вместо того чтобы раскладывать квантовую информацию по разным пространственным путям, учёные закодировали её во времени.

Квантовый вентиль, который не мешает сам себе

Логические операции в квантовом компьютере выполняют вентили — аналоги классических логических элементов. C-NOT оперирует двумя кубитами: один управляющий, второй управляемый. Если управляющий кубит находится в состоянии «1», вентиль переворачивает состояние второго; если в «0» — оставляет как есть. Именно такие операции создают запутанность — ресурс, без которого квантовые вычисления теряют смысл.

Проблема фотонных реализаций в том, что для C-NOT обычно требуется сложная оптическая схема: световые пучки нужно разделять, направлять по разным путям, сводить обратно. Каждый дополнительный кубит требует новых путей, зеркал, светоделителей — и схема разрастается экспоненциально. Это и есть проблема масштабирования: собрать на оптическом столе схему для десятков кубитов практически невозможно.

Группа под руководством доктора Беньямина Брехта из рабочей группы «Интегрированная квантовая оптика», которую возглавляет профессор Кристина Зильберхорн, предложила иной подход. Вместо пространственного кодирования — временное мультиплексирование. Кубиты передаются не одновременно по разным каналам, а последовательно, в разных временных окнах, через один и тот же оптический модуль. Один модуль обрабатывает несколько кубитов, просто в разное время.

Один модуль вместо оптического стола

Идея элегантна: если фотоны не хотят взаимодействовать в пространстве, пусть взаимодействуют во времени. Квантовая информация кодируется во временные интервалы, и один-единственный оптический модуль пропускает через себя целую очередь кубитов. Схема остаётся компактной, а число кубитов можно наращивать, не добавляя новые оптические элементы — достаточно увеличить число временных окон.

Доктор Федерико Пегораро из PhoQS поясняет: «Фотоны отлично изолированы от мешающих воздействий окружающей среды и легко поддаются контролю. Но для нас вызов в том, что фотоны обычно не взаимодействуют друг с другом». Временное мультиплексирование решает эту проблему не силой, а хитростью: вместо того чтобы заставлять фотоны взаимодействовать напрямую, система организует их встречу в нужный момент.

Точность вентиля — около 94% — не идеальна, но для первого шага на новой архитектуре это серьёзный результат. Для сравнения: порог для квантовой коррекции ошибок, при котором вычисления становятся по-настоящему надёжными, обычно оценивается выше 99%. Однако исследователи видят ясный путь улучшения.

Что дальше: быстрее схемы, больше кубитов

Узкое место текущей реализации — скорость электрооптических переключателей, которые управляют временными окнами. По оценкам команды, более быстрые схемы могли бы поднять скорость передачи данных примерно в тридцать раз. Это не только ускорит вычисления, но и повысит эффективность всей системы: меньше потерь, меньше шума, выше точность вентилей.

Реконфигурируемость — ещё одно преимущество подхода. Пространственные оптические схемы, как правило, жёстко настроены под конкретную задачу: чтобы поменять алгоритм, нужно перестраивать всю оптику. Во временной архитектуре достаточно изменить программу управления временными окнами. Один и тот же модуль сможет выполнять разные операции в зависимости от того, как фотоны распределены по времени.

Публикация в Nature Communications — заметная веха, но не финал. Команда из Падерборна продолжает работать над аппаратной частью. Если удастся совместить временное мультиплексирование с быстрыми переключателями и интегрированной фотоникой на чипе, фотонные квантовые компьютеры могут перестать быть экзотикой и стать практичным инструментом. А пока — 94% точности на C-NOT вентиле, реализованном через один модуль, это доказательство того, что масштабирование фотонных квантовых схем возможно без экспоненциального роста оптических элементов. Вопрос лишь в том, как быстро инженеры смогут ускорить переключатели и насколько чистыми окажутся временные окна при большом числе кубитов.