СПОСОБ ОБРАБОТКИ КВАНТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК G06N99/00 

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.

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_i, 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

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, n₀=1.45 - коэффициент преломления оптического кристалла, по которому распространяются фотоны,

- 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_p1(p2) - восприимчивости ансамбля допированных атомов, g_p1(p2) - частоты Раби пробных импульсов, N - концентрация атомов.

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 δ₁₍₂₎. При прохождении сквозь дотированную среду пробных фотонов, ими приобретается различный относительный набег фазы ϕ_i, 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.

Измерения разности фаз пробных фотонов осуществляются с помощью поляризационных фотодетекторов. При выборе параметров системы, изменения частотных отстроек δ₁₍₂₎ позволяют менять фазовые набеги ϕ_i для возможности реализации различных квантовых логических операций, выполняемых над состоянием (2).

Пример реализации способа

В качестве рабочей среды использовали кристалл, допированный атомами ⁵⁹Pr, схема рабочих уровней которого представлена на Фиг.1, и со следующими параметрами взаимодействия: длина среды L=1 мм; параметры допированных атомов: γ_opt=43.5кГц, γ_mag=4 кГц, γ_s - 0.25 кГц. Длительности пробных импульсов выбраны равными τ_p1,p2=258 пс, длительности импульсов накачек τ_с1,с2=939.1 пс, интенсивности пробных импульсов I_p1,р2=44.84 кВт/м².

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 δ₁₍₂₎ 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 0 0 π/2 π/2 π 3π/2 3π/2 π

Заявлен способ обработки квантовой информации. В способе выбирают параметры рабочей среды и вид допирующего редкоземельного элемента. Фотоны в среде приобретают относительный нелинейный сдвиг фазы. Величиной сдвига управляют изменением настроек двух дополнительных полей оптической накачки. За счет нелинейного набега фаз импульсов в данной среде происходит реализация заданных квантовых логических операций. Техническим результатом является получение эффективного способа обработки информации оптическим методом. 2 ил., 1 табл.

Способ обработки квантовой информации, включающий взаимодействие атомной среды с оптическими однофотонными пробными импульсами света, которые получают относительный нелинейный сдвиг фазы ϕ_i, отличающийся тем, что его величиной 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:
,
где i соответствует различным комбинациям правой |σ⁺> и левой |σ^-> 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, n₀=1,45 - коэффициент преломления оптического кристалла, - эффективная добавка к показателю преломления кристалла 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_p1(p2) - восприимчивости ансамбля допированных атомов.