ИСТИНА

Высокоразмерные квантовые состояния дают возможность значительно улучшить существующие квантовые алгоритмы, а также предложить принципиально новые алгоритмы, которые невозможны без использования таких состояний, например, вычислительные и коммуникационные. В свою очередь, использование одновременно нескольких степеней свободы оптических полей для кодирования высокоразмерных квантовых состояний позволяет разработать более эффективные алгоритмы, в частности, вычислительные. Однако на сегодняшний день высокоразмерные квантовые состояния с кодировкой в несколько степеней свободы исследованы слабо; подавляющее большинство экспериментальных исследований над высокоразмерными системами на данный момент выполнялись с использованием двухфотонных состояний света. Настоящий проект подразумевает расширение размерности пространства состояний фотонов и, соответственно, классов доступных квантовых состояний, за счёт использования одновременно как многофотонных источников, так и нескольких степеней свободы фотонов. Для эффективной характеризации таких состояний будут разработаны подходы на основе методов машинного обучения, которые только получают распространение в области квантовой оптики и квантовых вычислений. Для приготовления и преобразования таких состояний будут разработаны интегральные оптические устройства. В проекте также будет исследованы экспериментально распространение высокоразмерных квантовых состояний через воздушные каналы связи с турбулентностью.

High-dimensional quantum states can significantly improve the known quantum information algorithms, as well as they enable new ones to be developed that are impossible otherwise, for example, quantum communication and computation algorithms. Using multiple degrees of freedom of the optical fields for encoding high-dimensional states enable more effective algorithms, e.g. the linear optical quantum computational ones. At the same time, high-dimensional quantum states with encoding using multiple degrees of freedom are poorly investigated so far, so that nowadays the major part of experiments dealing with high-dimensional states have relied on two-photon states. This project is aimed at enlarging the dimensions of quantum states by simultaneously exploiting both multiphoton sources and the photon several degrees of freedom. In the project, new approaches to effective characterization of these states based on machine learning techniques will have been developed, which are considered prospective for the field of quantum optics and quantum computation. As means of preparing and transforming of these states integrated optics devices will have been developed. Besides, in this project, the peculiarities of propagation of the high-dimensional states through the free-space turbulent channels will be investigated.

В результате данного проекта будут предложены новые методы приготовления и характеризации высокоразмерных перепутанных многочастичных состояний с применением методов машинного обучения. Современные методы машинного обучения позволяют извлекать больше информации из зашумленных данных, что может существенно повысить качество оценки приготавливаемого состояния и, тем самым, помочь внести коррективы в схему приготовления.

Лаборатория квантовых оптических технологий МГУ имеет большой опыт работы в области квантовой томографии. Были разработаны и экспериментально реализованы несколько протоколов реконструкции поляризационно-перепутанных состояний фотонов [1-3]. Подробный статистический анализ квантовых протоколов восстановления квантовых состояний был проведен в работах [4, 5]. Значительные усилия были направлены на разработку адаптивных стратегий, оптимизирующих квантовую томографию. Первое экспериментальное применение байесовского метода в задаче восстановления квантового состояния было выполнено нашей группой в работе

Предложены новые методы приготовления и характеризации высокоразмерных перепутанных многочастичных состояний с применением методов машинного обучения. Современные методы машинного обучения позволяют извлекать больше информации из зашумленных данных, что может существенно повысить качество оценки приготавливаемого состояния и, тем самым, помочь внести коррективы в схему приготовления. Развиты экспериментальные способы реализации предложенных методов с помощью оптической системы, кодируемой в базисе поперечных пространственных мод (например, Гаусса-Эрмита или Гаусса-Лагерра), и оптической системы на основе интегральных волноводных структур. В настоящее время для передачи больших объемов оптической информации широко применяется метод частотного мультиплексирования. Использование поперечной пространственной степени свободы фотонов позволяет дополнительно реализовать мультиплексирование по пространственной степени свободы и, тем самым, расширить пропускную способность канала. Методы приготовления и преобразования высокоразмерных квантовых состояний на интегрально-оптической платформе позволят повысить потенциал линейно-оптической модели квантовых вычислений, поскольку часть многокубитных гейтов можно будет выполнять детерминистически за счет задействования высокоразменых систем или дополнительных степеней свободы, например, поляризации. В результате будут получены экспериментальные подтверждения преимуществ использования высокоразмерных состояний для передачи и обработки квантовой информацииИсследованы новые методы кодирования квантовой информации в состояния высокой размерности, использующие несколько степеней свободы поля, методы эффективной экспериментальной характеризации таких состояний, применения таких состояний для задач квантовых вычислений и симуляций и особенности распространения таких состояний в реальных воздушных каналах с турбулентностью. Результатом данного направления исследований станет возникновение методик компенсации влияния атмосферы на распространение высокоразмерных перепутанных состояний, что может быть использовано в задачах оптической спутниковой связи.