Ученые Центра квантовых технологий физического факультета МГУ разработали новый способ создания универсальных перепрограммируемых интерферометров — оптических устройств, которые могут выполнять произвольные линейные преобразования между большим числом каналов. Результаты работы опубликованы в журнале «Physical Review Letters».
Интерферометры позволяют осуществлять линейные оптические преобразования, принимая сигнал от излучения, в которое кодируют обрабатываемую информацию, преобразуя его и передавая, например, в другую часть вычислительной системы. Таким образом, данные устройства играют большую роль в процессах обработки, получения и передачи информации самого разного уровня, будь то телекоммуникационные сети, системы машинного обучения или квантовые вычислители.
Важным условием для практических применений интерферометров является возможность изменять их конфигурацию (то есть перепрограммировать), так как это позволяет использовать один интерферометр для широкого класса задач.
Современные методы создания перепрограммируемых интерферометров, основанные, как правило, на реализациях в виде интегральных оптических схем, чувствительны к ошибкам, возникающим на этапе изготовления. С увеличением числа каналов, между которыми необходимо реализовать преобразования, такие ошибки становятся все более серьезным препятствием в корректной реализации систем, в которых используются интерферометры. Но благодаря использованию альтернативной архитектуры интерферометра, предложенной учеными ЦКТ МГУ, влияние ошибок, вызванных неидеальными технологиями изготовления, может быть беспрецедентно снижено.
Важно, что в результате применения нового метода становится возможным почти произвольный выбор «строительных блоков», из которых состоят схемы интерферометров. Это существенно отличает предлагаемый метод от используемых до настоящего времени, ведь они используют только один вполне определенный блок и любое отклонение от этого блока приводит к ошибкам. Предложенная же архитектура не ограничена конкретной топологией размещения элементов, что позволяет использовать разные технологии изготовления оптических схем.
Авторы отмечают, что, хотя работа содержит также результаты фундаментальной значимости, особую важность она имеет именно для прикладных разработок. Универсальные перепрограммируемые интерферометры незаменимы в классических системах обработки информации, например, в оптических нейронных сетях и телекоммуникационных системах. Но еще большую роль подобные устройства играют в области квантовых симуляций, вычислений и квантовой коммуникации, где они служат для преобразования квантовых состояний оптических полей.
«Полученные результаты внесут значимый вклад в развитие оптических квантовых вычислений — одной из наиболее перспективных экспериментальных платформ прикладной квантовой информации», —полагает один из авторов статьи научный сотрудник ЦКТ МГУ Михаил Сайгин.
Работа является теоретической. Результаты получены благодаря использованию аналитических подходов и численных методов глобальной оптимизации.
В исследовании принимали участие научные сотрудники Центра квантовых технологий физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова к.ф-м.н. Михаил Сайгин, Илья Кондратьев, Иван Дьяконов, к.ф-м.н. Станислав Страупе и д.ф-м.н., профессор Сергей Кулик. Соавтором работы выступил сотрудник МФТИ, Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), Института ядерных исследований РАН к.ф-м.н. С.А. Миронов.
Описание картинки
Синяя кривая — зависимость ошибки преобразования многоканального интерферометра 1-F, изготовленного предложенным методом, в зависимости от параметра alpha, который характеризует ошибку, вызванную неидеальной технологией изготовления схемы. Ошибка всего преобразования 1-F остаётся постоянной (на уровне неточности численного расчёта) вплоть до определённого порогового значения параметра alpha, по достижении которого интерферометр теряет свою универсальность.
Красная кривая — зависимость различия блоков (1-S), составляющих схему, от параметра alpha. Порогового поведения не наблюдается — кривая растёт монотонно.