来自南乌拉尔国立大学自然与精确科学学院的年轻科学家团队在物理和数学科学博士 谢尔盖·波多什维多娃 教授的领导下，提出了一种算法，用于产生非常大振幅的非经典状态的光（称为“薛定谔猫的状态”）。该算法在使用激光源光域中的量子通信和量子计算中起着重要作用。其研究结果发表在《自然科学报告》（Q1）系列中最具影响力的科学期刊之一上。
猫是活着还是死了？
年轻的科学家正在量子信息处理和量子计算实验室进行量子力学领域有趣的研究。德米特里·库茨，物理学和数学博士，纳米级系统物理系副教授，研究生 谢尔盖·米克海耶夫 和其他科学家积极参与了量子力学各个领域的研讨会。其方向之一是制造非经典状态的光的想法。科学家们考虑了应该为量子信息传递创造什么条件，并确定了在现实中成功创造这些条件的可能性。从基本的角度（这是可能的）和从应用的角度来看，这个问题都是值得关注的，因为光信号能够使用纠缠（绑定）可传输信息的量子颗粒。南乌拉尔国立大学的科学家提出了一种产生这种光的算法，其中光子处于薛定谔猫的状态。
1935年，奥地利物理学家，量子力学的创始人之一 欧文·薛定谔 进行了一次思想实验。他提出一个思想实验，一只猫被锁在盒子里，它的生命取决于一个衰变的放射性原子。如果原子分解，继电器将起作用，锤子则砸到装有毒药的烧瓶上，这只猫会被毒害；如果原子不衰变，猫将活着。打开盒子后，实验者只能看到一种特定的状态-“原子已经衰变，猫死了”或“原子没有衰变，猫还活着”。在此之前，假想的猫既活着又死了。
薛定谔的插图描述了量子物理学的主要悖论：电子，光子甚至原子之类的粒子可以同时以两种状态存在。使用基本粒子创建光学元件的量子计算机是一个非常有前景的领域。尽管最有可能在多个物理系统的基础上实现量子计算机，包括使用光学量子比特。
在量子计算中，薛定谔猫的状态被称为量子位的特殊纠缠（束缚）状态（量子位是量子计算机中用于存储信息的最小元素，可以同时存储零，一，零和一，或两者都不存储），其中它们全都位于所有零或一的同一叠加中。
“量子位受环境影响，需要可靠的计算系统。所有这些都对实现量子位和量子门的物理系统提出了非常严格的要求，量子系统将量子位的输入状态转换为输出状态。可以使用不同的物理系统来实现不同的量子协议。特别是，由于光具有最大可能的传播速度，并且与周围的嘈杂环境之间的相互作用微弱，因此在开发量子计算机的可能配置时，光学系统与原子系统处于同等水平，” 德米特里·库茨 解释说。
叠加负责量子计算机的强大功能。这也极大地使计算复杂化。 关键是，量子位不仅必须保持其状态，而且还必须彼此交互。如果数十或数百个量子库比特必须相互作用时，则情况要复杂得多。
实现目标的新步骤
科学家打算进行实验，以创建独立于初始条件的确定性纠缠光源。在所有量子协议的实际实现中（包括构建量子计算机），构建按需纠缠源是至关重要的元素。众所周知，潜在的量子计算机可以有效地实施棘手的算法，例如从数以百万计的可用数据中快速选择正确的解决方案，或者搜索未分类的数据，而这是按照经典定律运行的计算机无法有效执行的。但是实现量子计算机的想法需要在大量的量子位上高效执行通用的确定性操作集。量子位的各种可能状态显着增加了其容量，并因此提高了计算机的潜在计算能力。
“通常，实验者可以将非常有限数量的有益状态付诸实践。按需实现所需的量子状态是量子状态和许多不同的量子协议如何工作的关键。
实际上，量子计算机是所需输出状态的生成器，可通过测量从中提取信息。例如，关于未知状态的量子隐形传态协议，或者说量子互联网，可以说是相同的。任何进步，无论是量子工程学中的新机制还是新算法，都将一步步拉近人类与人类最崇高梦想之间的距离-使高效的量子计算机成为现实并试图超越物理世界”，-谢尔盖·波多什韦多夫 说。
尽管有许多提议的用于光量子计算机的方法，但它们都不是完全令人满意的，因为它们相当复杂或应用有限。例如，实现简单的逻辑运算将需要大量不可接受附加的运算。因此，不能说光量子信息处理的问题已经最终解决，“如何有效利用光资源，相互作用机制和合适的状态？”等问题依然悬而未决。量子状态工程是量子信息处理中尚未解决的问题。
这种光学状态（“薛定谔的猫”）有助于减少量子信息处理中的损失，它们可以在任何介质中以大振幅产生。但是，在使用它们时会出现许多问题。 例如，您需要使这些状态稳定，并且量子操作需要非常快地完成。世界各地的科学家都在致力于解决这些问题。
数字产业领域的研究是南乌拉尔国立大学与生态学和材料科学一起发展科学和教育活动的三个战略方向之一。
南乌拉尔国立大学是5-100项目的参与者，该项目旨在提高俄罗斯大学在世界领先的研究和教育中心中的竞争力。