Lys styrer to-atoms kvanteberegning

Nogle magtfulde herskere i verden drømmer måske om muligheden for at komme i kontakt med deres kolleger på forskellige kontinenter uden at blive bemærket af venner eller fjender. En skønne dag, nye kvanteteknologier kunne gøre det muligt at opfylde disse ønsker. Fysikere over hele verden arbejder på realiseringen af ​​kvantenetværk i stor skala, hvor enkeltlyskvante overfører (hemmelige) kvanteinformationer til stationære knuder på store afstande. Sådanne kvantenetværks grundlæggende byggesten er, for eksempel, kvanterepeatere, der modvirker tab af kvanteinformation over store afstande, eller kvantelogiske porte, der er nødvendige for at behandle kvanteinformation.

Nu, et team af videnskabsmænd omkring professor Gerhard Rempe, direktør ved Max Planck Institute of Quantum Optics og leder af Quantum Dynamics Division, har demonstreret gennemførligheden af ​​et nyt koncept for en kvanteport ( Phys. Rev. X 8, 011018, 6. februar 2018). Her, fotoner, der rammer et optisk hulrum, medierer en interaktion mellem to atomer fanget indeni. Denne interaktion er grundlaget for at udføre karakteristiske portoperationer mellem atomerne, for eksempel operationen som en CNOT-port eller generering af entanglement. Den nye metode byder på en række fordele:f.eks. gate-operationerne foregår inden for mikrosekunder, hvilket er et aktiv for kvanteinformationsbehandling. Også, portmekanismen kan anvendes på andre eksperimentelle platforme, og to-atom-porten kan tjene som en byggesten i en kvanterepeater.

Kerneelementet i eksperimentet (se figur 1) er en asymmetrisk højfinesse optisk resonator, bestående af et højreflekterende spejl (til venstre) og et spejl med en endelig transmission (højre). To elektrisk neutrale rubidiumatomer er fanget i midten af ​​hulrummet. Hvert atom bærer en qubit, kvanteinformation, der er kodet i superpositionen af ​​to stabile grundtilstande, som svarer til de klassiske bit "0" og "1". "En af grundtilstandene er i resonans med hulrummets lysfelt. Derfor, atomer og hulrum danner et stærkt koblet system, Stephan Welte forklarer, der arbejder på eksperimentet til sin doktorafhandling. "Det er derfor, atomerne kan tale sammen. Denne proces kan ikke foregå i det frie rum."

For at udføre porten, enkelte fotoner sendes ind i det semi-transparente spejl. Derefter, afhængig af atomernes begyndelsestilstande, forskellige scenarier er mulige. "Når begge atomer er i ikke-koblingstilstand, kan fotonen trænge ind i hulrummet, og en stående lysbølge mellem de to spejle bygges op, " siger Bastian Hacker, en anden ph.d.-kandidat på forsøget. "Atomerne kan kommunikere via dette lysfelt:hvis det er til stede, fasen af ​​de lagrede qubits bliver roteret 180 grader." I alle andre tilfælde, hvis et eller begge atomer er i resonans med hulrumstilstandene, fotonen bliver blokeret fra hulrummet, og atomernes tilstand får ikke et faseskift.

Disse effekter bruges til at udføre grundlæggende matematiske operationer (kvanteporte) mellem de to atomer, som er demonstreret af Garching-teamet med to karakteristiske portoperationer. På den ene side, forskerne viser, at deres eksperimentelle opsætning kan fungere som en typisk C(kontrolleret)NOT-port:her afgør inputtilstanden for (kontrol)qubitten, om den andens (målets) tilstand ændres eller ej. For at demonstrere denne funktionalitet, portoperationen udføres på et sæt af fire ortogonale inputtilstande, og i hvert tilfælde bestemmes den resulterende udgangstilstand. Ud fra disse mål udledes en tabel, der ligner en klassisk XOR-port.

På den anden side, i en anden serie af målinger beviser forskerne skabelsen af ​​kvantesammenfiltrede outputtilstande fra to oprindeligt uafhængige atomer. "Til denne ende, atomerne fremstilles i en sammenhængende superposition af begge grundtilstande, " påpeger Stephan Welte. "Derfor, begge tilfælde – at fotonen kommer ind i hulrummet og at den afvises – er kvantemekanisk overlejret, og portoperationen fører til sammenfiltringen af ​​atomerne."

"Den mekanisme, der ligger til grund for gate-operationen, er meget enkel og elegant, fordi den kun omfatter ét fysisk trin. I modsætning til andre gate-mekanismer betyder afstanden mellem qubits - i vores tilfælde 2 til 12 mikrometer - slet ikke noget, Bastian Hacker understreger. vores port er ikke afhængig af den specifikke platform af rubidium atomer. Det kunne lige så godt anvendes på mange andre typer atomer, ioner eller, for eksempel, faststof kvanteprikker, der bærer kvanteinformation." Professor Gerhard Rempe forestiller sig endda yderligere udvidelser af systemet. "Vi overvejer at placere flere atomer, i stedet for kun to, ind i hulrummet. Vores portmekanisme kunne fungere på mange af dem på samme tid." I et storstilet kvantenetværk, multi-qubit noder kunne fungere som små kvantecomputere, der udfører grundlæggende beregninger og sender deres resultater til andre noder.