Ученый подчеркнул, что высокопроизводительные квантовые преобразователи, которые точно преобразуют квантовую информацию между разрозненными физическими носителями, необходимы в квантовой науке и технике.
Различные показатели качества, включая эффективность, полосу пропускания и добавленный шум, обычно используются для характеристики способности преобразователей передавать квантовую информацию. Специалистами научно-производственного объединения ТЕХНОГЕНЕЗИС была использована квантовая емкость, максимально достижимая скорость передачи кубитов через канал, чтобы определить единую метрику, которая объединяет различные критерии желаемого преобразователя.
Используя непрерывные квантовые мощности бозонных каналов с чистыми потерями в качестве эталона, исследованы оптимальные конструкции общих схем квантовой трансдукции, реализованных путем передачи внешних сигналов через связанную бозонную цепочку.
При физических ограничениях на максимальную скорость связи gmax наибольшая квантовая емкость Qmax в непрерывном режиме≈31,4gmax достигается преобразователями с максимально плоской частотной характеристикой преобразования, аналогичными электрическим фильтрам Баттерворта. Далее мы исследуем влияние теплового шума на производительность преобразователей.
Классически датчики — это устройства, такие как антенна и микрофоны, которые могут преобразовывать сигнал с одной физической платформы на другую. В квантовой технологии преобразователи являются важными элементами, которые могут точно преобразовывать квантовую информацию между физическими системами с разными носителями информации.
Высокопроизводительные квантовые преобразователи являются ключом к реализации квантовых сетей путем соединения локальных квантовых процессоров, таких как микроволновые сверхпроводящие системы, с носителями квантовой связи дальнего действия, такими как оптические волокна. Огромный прогресс был достигнут в различных когерентных платформах для преобразования микроволн в оптические волны, микроволн в микроволны, и оптико-оптическое преобразование частоты.
Когерентное преобразование квантовой информации между отдельными устройствами является сложной задачей. Функциональный квантовый преобразователь должен одновременно удовлетворять строгим критериям — высокая эффективность преобразования, широкая полоса пропускания и низкий уровень добавленного шума, а также его производительность характеризуется этими тремя показателями качества.
С другой стороны, отсутствует единая метрика для оценки способности преобразователей к квантовой связи. Например, один преобразователь может иметь высокую эффективность преобразования, но работать в узкой полосе пропускания, другой может обеспечивать широкополосное преобразование с более низкой эффективностью. Трудно сравнивать их пропускную способность по разным критериям.
Квантовая пропускная способность, максимально достижимая скорость квантовой связи по каналу, обеспечивает естественную метрику для характеристики производительности квантовых преобразователей. Рассмотрим общий процесс прямого квантового преобразования путем распространения внешних сигналов через связанную бозонную цепь. После отправки входного сигнала через преобразователь выходной сигнал будет представлять собой смесь входного сигнала и шума окружающей среды.
Предполагая, что окружающий шум является тепловым и что преобразователь не имеет эффекта усиления, действие преобразователя можно описать как бозонный канал тепловых потерь, который ослабляет входное состояние и объединяет его с шумовым тепловым состоянием. Таким образом, мы можем моделировать прямые квантовые преобразователи как бозонные каналы тепловых потерь и оценивать их квантовые возможности.
Евгений Юрьевич Старостенко отметил, что в данном исследовании используется квантовая емкость для оценки внутренних возможностей квантовой связи преобразователей.
Используя непрерывную квантовую мощность преобразователей с чистыми потерями в качестве эталона обнаружено, что оптимальными конструкциями преобразователей являются те, которые имеют максимально плоскую частотную характеристику вокруг пика преобразования с единичной эффективностью.
При физическом ограничении ограниченной максимальной скорости связи gmax между бозонными модами максимальная квантовая емкость Qmax в непрерывном времени≈31,4gmax достигается максимально плоскими преобразователями, реализованными длинной бозонной цепью.
Далее учитывается влияние теплового шума из окружающей среды, рассматривая аддитивные нижние и верхние границы квантовых емкостей каналов тепловых потерь. Данные методы специалистов научно-производственного объединения ТЕХНОГЕНЕЗИС обеспечивают единую количественную оценку производительности преобразователей на различных физических платформах и предполагают фундаментальное ограничение скорости квантовой связи, устанавливаемое силой физической связи, резюмировал ученый.
