Фотонный кубит

Фотонный кубит — это квантовый бит (кубит), реализованный на основе квантовых состояний фотона — элементарной частицы электромагнитного поля, не имеющей массы и электрического заряда. В отличие от классического бита, который может находиться только в одном из двух состояний (0 или 1), фотонный кубит может одновременно находиться в суперпозиции этих состояний, что является фундаментальным ресурсом для квантовых вычислений, квантовой связи и квантовой криптографии. Фотоны являются одними из наиболее перспективных носителей квантовой информации благодаря их слабому взаимодействию с окружающей средой (что обеспечивает длительное время когерентности), высокой скорости распространения и возможности передачи на большие расстояния по оптическим волокнам и в свободном пространстве.

Физическая реализация

Фотонный кубит может быть реализован с использованием различных степеней свободы фотона. Выбор конкретного кодирования зависит от требований конкретной квантовой задачи: вычислительной мощности, устойчивости к шумам, возможности интеграции с оптоволоконными линиями связи.

Поляризационное кодирование

Наиболее распространённый и интуитивно понятный способ — кодирование информации в состоянии поляризации фотона. В этом случае базисные состояния |0⟩ и |1⟩ соответствуют, например, горизонтальной (H) и вертикальной (V) поляризации. Суперпозиция состояний может быть записана как α|H⟩ + β|V⟩, где α и β — комплексные амплитуды, удовлетворяющие условию нормировки |α|² + |β|² = 1. Поляризационные кубиты легко генерировать, манипулировать ими с помощью полуволновых и четвертьволновых пластинок, а также детектировать с помощью поляризационных светоделителей и однофотонных детекторов. Основным недостатком является чувствительность к деполяризации при распространении в оптических волокнах, особенно на больших расстояниях.

Временное (временны́е бины) и частотное кодирование

В этом подходе информация кодируется во временном положении или частоте фотона. Для временного кодирования фотон может быть испущен в два различных временных окна (раннее — t₀, позднее — t₁), что соответствует состояниям |0⟩ и |1⟩. Частотное кодирование использует две различные частоты (длины волн) фотона. Эти методы устойчивы к деполяризации, но требуют более сложных схем для манипуляции и детектирования. Временное кодирование активно используется в квантовой криптографии, в частности в протоколах с фазовым кодированием.

Пространственное кодирование (путь фотона)

Здесь кубит кодируется выбором одного из двух (или более) пространственных путей, по которым может распространяться фотон. Например, в интерферометре Маха — Цендера фотон может пройти по верхнему (|0⟩) или нижнему (|1⟩) плечу. Манипуляция осуществляется с помощью светоделителей и фазовращателей. Пространственное кодирование часто используется в квантовых логических вентилях и в квантовых повторителях.

Орбитальный угловой момент (OAM)

Фотон может нести орбитальный угловой момент, который проявляется в виде спиральной структуры волнового фронта. Различные значения OAM (например, l = +1 и l = -1) могут быть использованы для кодирования кубита. Этот метод позволяет создавать многомерные квантовые состояния (кудиты), что увеличивает информационную ёмкость одного фотона. Однако генерация и детектирование OAM-состояний технически сложнее, чем поляризационных.

Генерация и детектирование

Для создания фотонных кубитов используются источники одиночных фотонов. Идеальный источник должен испускать ровно один фотон по требованию, с высокой степенью неразличимости (для квантовых вычислений) и с контролируемыми квантовыми состояниями.

Источники одиночных фотонов

Основные типы источников:

• Спонтанное параметрическое рассеяние (SPDC) — наиболее распространённый метод. В нелинейном кристалле (например, BBO — бета-борат бария) под действием накачки лазера рождаются пары фотонов (сигнальный и холостой). Один из фотонов может быть использован как триггер (объявление о рождении другого), а второй — как рабочий кубит. SPDC-источники генерируют фотоны в широком диапазоне длин волн и позволяют легко управлять их поляризацией.
• Квантовые точки — полупроводниковые наноструктуры, способные излучать одиночные фотоны при возбуждении электрическим током или лазером. Они обеспечивают высокую степень неразличимости фотонов и могут быть интегрированы в микрочипы.
• Одиночные атомы и ионы — захваченные в ловушку атомы или ионы могут излучать одиночные фотоны с точно заданными свойствами. Этот метод сложен в реализации, но даёт наилучшие характеристики по чистоте и неразличимости.
• Дефекты в алмазе (NV-центры) — азотно-вакансионные центры в алмазе излучают одиночные фотоны при комнатной температуре, что делает их привлекательными для практических приложений.

Детекторы одиночных фотонов

Для регистрации фотонных кубитов необходимы детекторы, способные с высокой эффективностью и низким уровнем шума регистрировать единичные фотоны. Основные типы:

• Лавинные фотодиоды (APD) — работают в режиме Гейгера. Кремниевые APD эффективны в видимом диапазоне, германиевые и InGaAs — в ближнем инфракрасном.
• Сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SNSPD) — имеют рекордную эффективность детектирования (до 95%) и низкое временное разрешение. Требуют криогенного охлаждения до температур около 2–4 К.
• Переходные детекторы на основе сверхпроводниковых нанопроволок — аналогичны SNSPD, но могут быть выполнены в виде массивов для пространственного разрешения.

Применение

Квантовая криптография и связь

Фотонные кубиты являются основой квантового распределения ключей (QKD). Протоколы, такие как BB84 (использующий поляризационное или фазовое кодирование) и E91 (основанный на запутанных состояниях), обеспечивают теоретически невзламываемую защиту информации. Любая попытка перехвата фотона неизбежно изменяет его квантовое состояние, что обнаруживается легитимными пользователями. В России и мире активно развиваются системы QKD на основе фотонных кубитов, работающие как по оптоволокну (дальность до 100–200 км без квантовых повторителей), так и через спутниковые каналы (эксперимент «Квант» на МКС, спутник «Моцзы» в Китае).

Квантовые вычисления

Фотонные кубиты используются в линейно-оптических квантовых компьютерах. В отличие от кубитов на ионах или сверхпроводниках, фотоны слабо взаимодействуют друг с другом, что затрудняет реализацию двухкубитных вентилей. Однако использование вспомогательных фотонов и измерений (схема KLM — Кнуилл, Лафламм, Милберн) позволяет реализовать универсальные квантовые вентили. Фотонные квантовые компьютеры, такие как китайский «Цзючжан» (Jiuzhang), демонстрируют квантовое превосходство в задачах бозонного семплинга. В России ведутся разработки фотонных интегральных схем для квантовых вычислений (например, в Российском квантовом центре и МГУ имени М.В. Ломоносова).

Квантовая метрология и сенсорика

Фотонные кубиты в запутанных состояниях позволяют проводить измерения с точностью, превышающей классический предел (стандартный квантовый предел). Это используется в оптических интерферометрах для гравитационно-волновых обсерваторий (LIGO, VIRGO), в прецизионной спектроскопии и в квантовых радарах. Фотонные кубиты также применяются в квантовой микроскопии, позволяющей получать изображения с разрешением, превышающим дифракционный предел.

Проблемы и ограничения

Несмотря на очевидные преимущества, фотонные кубиты имеют ряд фундаментальных и технических ограничений:

• Слабое взаимодействие: фотоны почти не взаимодействуют друг с другом, что делает реализацию двухкубитных операций (например, CNOT) ресурсоёмкой. Для этого требуются либо нелинейные среды с гигантской нелинейностью, либо сложные схемы с вспомогательными фотонами и пост-селекцией.
• Потери: при передаче в оптических волокнах фотоны могут поглощаться или рассеиваться. Потери экспоненциально растут с расстоянием, что ограничивает дальность QKD без квантовых повторителей.
• Неидеальность источников и детекторов: реальные источники имеют конечную вероятность генерации более одного фотона (многофотонные события), что создаёт уязвимости в криптографии. Детекторы имеют ограниченную эффективность и временное разрешение.
• Фазовый шум: в интерферометрических схемах флуктуации длины пути и температуры приводят к ошибкам в квантовых операциях.

Перспективы развития

Основные направления исследований включают:

• Разработку гибридных квантовых систем, где фотонные кубиты используются для связи между удалёнными стационарными кубитами (например, на ионах или квантовых точках).
• Создание квантовых повторителей на основе фотонных кубитов и квантовой памяти для преодоления ограничения по расстоянию.
• Интеграцию фотонных схем на чипе (квантовая фотоника) для масштабирования квантовых компьютеров.
• Разработку новых источников одиночных фотонов с высокой чистотой и неразличимостью на основе квантовых точек и двумерных материалов.

Источники

• Квантовая оптика и квантовые вычисления: учебное пособие / под ред. С.Я. Килина. — М.: Физматлит, 2015.
• Nielsen M.A., Chuang I.L. Quantum Computation and Quantum Information. — Cambridge University Press, 2010.
• Gisin N., Thew R. Quantum communication // Nature Photonics. — 2007. — Vol. 1. — P. 165–171.
• Knill E., Laflamme R., Milburn G.J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics // Nature. — 2001. — Vol. 409. — P. 46–52.
• Квантовые вычисления: от кубитов до квантовых алгоритмов / под ред. А.В. Белоусова. — М.: Техносфера, 2021.