Гипер-потери в квантовых сетях

Наконец могу рассказать о нашем открытии, над которым мы работали последние несколько лет!

Мы открыли новый режим потерь в оптических системах (мы его называем “гипер-потери” — hyperloss по-английски звучит получше). Все знают или по крайней мере слышали, что потери (и декогеренция в целом) критично важны для квантовых систем. Например, главная причина, почему мы до сих пор не можем сделать хороших квантовых компьютеров — декогеренция, которая разрушает квантовое состояние внутри компьютера. При этом часто даже совсем небольшое количество потерь оказывается очень серьезным: скажем, 5-10% потерь во всей системе уже ограничивают ее полезность.

Примеры квантовых сетей, подверженных гиперпотерям

Один из источников потерь в оптических системах — неидеальная интерференция между разными лазерными пучками. Каждый лазерный луч имеет свою форму (расширяется, сфокусирован где-то). Если форма лучей не идеальна совпадает, часть их не интерферирует и оказывается в другой “моде”: после интерференции получается два луча — основной формы и некоторой хитрой “остаточной”. Мы это называем рассогласованием мод. Обычно это считается источником потерь, что уже довольно плохо. Мы показали в эксперименте, что это гораздо более катастрофический эффект.

Мы открыли, что в некоторых условиях даже очень небольшое рассогласование мод (в несколько %) может привести к полной потери всех квантовых корреляций. Более того, система оказывается в практически тепловом состоянии — хуже, чем если бы не использовали квантового света вовсе. Поэтому мы назвали эффект “гипер” потери.

Что такое рассогласование мод и как форма луча приводит к появлению лучей другой формы (мод высшего порядка)

Во многих квантовых сетях мы используем сжатый свет (я много писал про него, тут например). В нем неопределенность какого-то параметра луча (например, фазы) сжимается ниже предела Гейзенберга — ценой пропорционального разжатия другого параметра. Обычно мы настраиваем весь эксперимент так, чтобы он использовал эту сжатую неопределенность. В данном эксперименте мы начинаем с 5.8 дБ сжатия (неопределенность ниже примерно в два раза меньше основного состояния), и после двух взаимодействий в системе, мы теряем все сжатие и остаемся с 1.5 дБ теплового состояния.

Экспериментальная картинка, где по оси y — неопределенность измерения по сравнению с “классическим” уровнем (shot noise). Отрицательные значения — сжатие. Положительные — разжатие (или тепловой шум, как в нашем случае).

Эффект проявляется, когда у нас есть несколько компонентов, где есть рассогласование мод и при этом значительное сжатие. Во многих современных системах этот режим еще не достигается, поэтому до сих эффект практически не наблюдали. Но в будущем квантовые сети и квантовые компьютеры будут подвержены эффекту гиперпотерь, что до сих пор никем не учитывалось.

К счастью, мы также придумали, как можно использовать этот эффект во благо: при правильной настройке фаз можно не только полностью убрать гипер-потери, но и минимизировать общие потери на рассогласование мод. Например, в эксперименте у нас около 15% потерь, но мы превращаем их в эффективные 2.8% потерь.

Статья опубликована в Nature Communications: https://www.nature.com/articles/s41467-026-75899-5

Я еще напишу более подробное объяснение эффекта в отдельной статье.

3 года назад я прочитал статью, где похожий эффект рассматривался теоретически в контексте детекторов гравитационных волн. Учитывая серьезность эффекта, я возмутился, что никто про это не говорит вообще, а страдать-то будут все в итоге! Поэтому я привез на одну из тематических конференций постер, в котором не было никаких моих личных результатов, а просто мессадж: АААААА! Люди не впечатлились. Тогда я подумал: надо сделать простой эксперимент и показать, как это может быть страшно! Потому что реально, если с этим ничего не сделать, супер-пупер апдейты детекторов на сотни миллионов € будут просто коту под хвост.

Вернулся с конференции, поговорил со студентом — мол, не хотел бы ты быстренько, за пару недель (famous last words), сделать эксперимент? Он согласился, только вот на его установке было неудобно — мы пошли к другому студенту с тем же предложением. В итоге реально за пару недель работы днем и ночью мы переработали установку, чтобы сделать эксперимент. И....ничего не увидели. Ну то есть что-то увидели, но совсем не то, что ожидали.

Я сел за теорию и обнаружил, что, во-первых, одна из тех старых теоретических статей просто не верна: она отбрасывает один из членов, который отвечает за совершенно новый эффект (как раз эти гипер-потери). Во-вторых, стало понятно, что не так все просто можно продемонстрировать, нужно собирать отдельный эксперимент для этого. Но штош, пути назад уже не было, поэтому студенты погрузились в эксперимент, который постоянно переставал работать и выдавал странные результаты, а я — в симуляции и теорию. Буквально за три месяца мы наконец получили результаты, которые ожидали — и даже больше! Мы увидели, как небольшие отстройки в установке полностью убивают квантовые корреляции. Но и придумали, что можно эти отстройки оптимизировать специальным образом, чтобы вернуть корреляции к жизни!

Дальше я долго-долго не мог написать текст статьи. Было сложно: мы хотели идти высоко (в Nature), что требовало определенного стиля. Надо было разобрать детально теорию и написать скрипты для этого всего. И я просто прокрастинировал, отвлекаясь на другие проекты. Мне было ужасно стыдно, но ничего поделать не мог — не шло и все тут.

Наконец полтора года назад я выдал первый черновик статьи, который мы еще полгода правили и доводили до ума, и наконец в декабре прошлого года подали в Nature. Обычно редакторы журнала сразу говорят, если им не по нраву статья — буквально за пару дней. Но тут они нас мусолили несколько недель, прежде, чем выдать отказ: “работа интересная, но у нас слишком много статей, сорян, идите лесом”. Я за несколько дней переделал текст и подался в Nature Photonics — и там получил тот же ответ, тоже спустя несколько недель. Ждать еще дольше не хотелось, поэтому мы пошли в Nature Communications: у него хоть и есть определенная репутация “pay to publish”, там все равно оч серьезный отбор. Но нам повезло: оба рецензента были очень позитивные, попросили только мелкие правки, которые можно было быстро добавить. Кстати, рецензии и нашу на них реакцию можно увидеть в открытом доступе тоже (на странице статьи перейти в peer review). Гораздо дольше заняло приведение в подходящий формат картинок и самого текста (ох я намаялся!).

Но результатом я очень доволен: мне кажется, это одна из лучших моих статей — и по важности эффекта, и по качеству текста. Но и мало на какую статью я тратил столько сил, времени и нервов! Как же я был рад наконец закончить эту историю!

Статья в открытом доступе тут: https://www.nature.com/articles/s41467-026-75899-5