СПОСОБ ОБРАБОТКИ КВАНТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
METHOD OF PROCESSING QUANTUM INFORMATION

Изобретение относится к области оптических квантовых вычислений, а именно к способам обработки квантовой информации, и может быть использовано для обработки квантовой информации.
Известен способ реализации квантовых логических операций с использованием поляризационных состояний одиночных фотонов [заявка 2005128554/09, 17.02.2004 на выдачу патента на изобретение «Способ и программируемое устройство для квантовых вычислений», http://wwwl.fips.ru/fips_servl/fips_servlet]. Способ основан на использовании двух поляризационных светоделителей, на первом из которых происходит смешивание первого однофотонного импульса с холостой модой с последующей подачей одной из полученных поляризационных мод на второй светоделитель. Такая логическая операция может быть использована для осуществления квантовых вычислений. Известен также способ квантовых вычислений [«Techniques for performing logic operations using quantum states of single photons», патент США 6741374, The Johns Hopkins University http://www.freepatentsonline.com/6741374.html], при котором имеется программа для нахождения функций, описывающих процедуры вычисления значения. Выполняют континуализацию закодированной программы и выражают ее в виде дифференциального оператора. Далее реализуют дифференциальный оператор в физической среде и из нее извлекают решение для континуализированной закодированной программы.
Недостатки данных способов состоят в том, что они относятся, в основном, к проектированию отдельных логических элементов и не объединяют отдельные блоки обработки квантовой информации для реализации распределенной обработки информации и создания квантового процессора.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ квантовых вычислений с использованием нелинейных эффектов. Взаимодействие пары фотонов с многочисленными парами атомов среды дает сильный нелинейный сдвиг фазы [«Optical method for quantum computing», патент США 6678450, The Johns Hopkins University, http:/www.freepatentsonline.com/6678450.html]. Этим сдвигом можно управлять, изменяя параметры взаимодействия, используя многочисленные лазерные импульсы и буферный газ. При определенном фазовом сдвиге осуществляются условия, при которых происходит изменение поляризации фотонов, соответствующее квантовой операции XOR.
Недостаток данного способа заключается в использовании газовых сред для достижения фазовых сдвигов, что не позволяет использовать указанные среды для серийного производства.
Задача, решаемая изобретением - обеспечение возможности эффективной обработки квантовой информации за счет применения оптических материалов, допированных атомами редкоземельных элементов, которые эффективно могут быть использованы при серийном производстве элементной базы квантовых вычислений.
i
Предлагаемая задача решается тем, что в способе обработки квантовой информации, включающем взаимодействие атомной среды с оптическими однофотонными пробными импульсами света, которые получают относительный нелинейный сдвиг фазы ϕ, величиной сдвига управляют путем изменения настроек двух дополнительных полей оптической накачки при использовании М-схемы атомно-оптического взаимодействия в допированной атомами редкоземельных элементов оптической среде и определяют по формуле
0
где i соответствует различным комбинациям правой
и левой
циркулярных поляризаций пробных фотонов а и b на входе среды и принимает значения i=1 для
, i=2 для
, i=3 для
, i=4 для
; показатели преломления среды имеют вид
,
,
,
,
,
,
; L - длина среды, n=1.45 - коэффициент преломления оптического кристалла, по которому распространяются фотоны,
p1(p2)
p1(p2)
- эффективная добавка к показателю преломления среды за счет наличия резонансных атомов,
- то же самое, но в случае, когда поляризация одного из пробных импульсов не соответствует правилу отбора на соответствующем атомном переходе и М-схема редуцирует к Λ-схеме, χ - восприимчивости ансамбля допированных атомов, g - частоты Раби пробных импульсов, N - концентрация атомов.
1(2)
i
Технически задача реализуется тем, что в оптическую рабочую среду, допированную атомами редкоземельных элементов, подаются два однофотонных пробных импульса света с произвольными циркулярными поляризациями
. В допированной среде реализуется М-схема атомно-оптического взаимодействия (см. Фиг.1) с участием двух дополнительных полей оптической накачки определенных поляризаций
и
и с малыми частотами отстройки δ. При прохождении сквозь дотированную среду пробных фотонов, ими приобретается различный относительный набег фазы ϕ, определяемый комбинацией поляризаций пробных фотонов на входе - в формуле (1). В качестве рабочего используется перепутанное состояние пробных фотонов а и b на входе среды в форме:
где
- комплексные амплитуды, определяющие вероятности соответствующих базисных состояний,
,
- начальные фазы.
1(2)
i
Измерения разности фаз пробных фотонов осуществляются с помощью поляризационных фотодетекторов. При выборе параметров системы, изменения частотных отстроек δ позволяют менять фазовые набеги ϕ для возможности реализации различных квантовых логических операций, выполняемых над состоянием (2).
Пример реализации способа
59
2
opt
mag
s
p1,p2
с1,с2
p1,р2
В качестве рабочей среды использовали кристалл, допированный атомами Pr, схема рабочих уровней которого представлена на Фиг.1, и со следующими параметрами взаимодействия: длина среды L=1 мм; параметры допированных атомов: γ=43.5кГц, γ=4 кГц, γ - 0.25 кГц. Длительности пробных импульсов выбраны равными τ=258 пс, длительности импульсов накачек τ=939.1 пс, интенсивности пробных импульсов I=44.84 кВт/м.
1(2)
Например, была реализована логическая команда XOR в два этапа. На начальном этапе осуществлено фазовое кодирование перепутанного состояния для достижения необходимых параметров
при выборе начальной фазы перепутанного состояния
, равной нулю - Фиг.2, и осуществлении фазового сдвига
. На втором этапе, при изменении частот отстроек полей накачки δ и достижении фазовых набегов
, реализована квантовая логическая операция XOR в соответствии с таблицей истинности.
Эффект: по сравнению с прототипами, реализация данного способа обработки информации происходит не в газовой, а в твердой среде, что предпочтительно для серийного производства и долгосрочного использования образцов. Возможность внешнего оптического управления позволяет реализовать сразу несколько квантовых логических операций в одной допированной среде.
Таблица истинности для преобразования XOR
Состояние
<img file="00000028.tif" he="7" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000029.tif" he="7" wi="33" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="10" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
0
0
<img file="00000030.tif" he="10" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
π/2
π/2
<img file="00000031.tif" he="10" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
π
3π/2
<img file="00000032.tif" he="10" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
3π/2
π