Forskere demonstrerer lovende metode til forbedring af kvanteinformationsbehandling

Et team af forskere ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har demonstreret en ny metode til opdeling af lysstråler i deres frekvensfunktioner. Forskerne kan derefter vælge de frekvenser, de vil arbejde med, og kode fotoner med kvanteinformation. Deres arbejde kan anspore fremskridt inden for behandling af kvanteoplysninger og distribueret kvanteberegning.

Teamets resultater blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Lysfrekvensen bestemmer dens farve. Når frekvenserne adskilles, som i en regnbue, hver farvefoton kan kodes med kvanteinformation, leveres i enheder kendt som qubits. Qubits er analoge med, men adskiller sig fra klassiske bits, som har en værdi på enten 0 eller 1, fordi qubits er kodet med værdier på både 0 og 1 på samme tid.

Forskerne sammenligner kvanteinformationsbehandling med at træde ind på en gang og være i stand til at gå begge veje, der henviser til, at i klassisk computing er kun en vej mulig.

Teamets nye tilgang - med den første demonstration af en frekvensstritter, et instrument, der deler lys op i tre frekvenser - returnerede eksperimentelle resultater, der matchede deres forudsigelser og viste, at mange kvanteoplysningsbehandlingsoperationer kan køres samtidigt uden at øge fejl. Kvantesystemet fungerede som forventet under stadig mere komplekse forhold uden at forringe den kodede information.

"Under vores eksperimentelle forhold, vi fik en faktor 10 bedre end typiske fejlrater, "sagde Nicholas Peters, Quantum Communications team leder for ORNL's Quantum Information Science Group. "Dette etablerer vores metode som frontløber for højdimensionel frekvensbaseret kvanteinformationsbehandling."

Fotoner kan bære kvanteinformation i superpositioner - hvor fotoner samtidigt har flere bitværdier - og tilstedeværelsen af ​​to kvantesystemer i superposition kan føre til sammenfiltring, en nøgleressource i kvanteberegning.

Forvikling øger antallet af beregninger, en kvantecomputer kunne køre, og teamets fokus på at skabe mere komplekse frekvenstilstande har til formål at gøre kvantesimuleringer mere kraftfulde og effektive. Forskernes metode er også bemærkelsesværdig, fordi den demonstrerer Hadamard -porten, et af de elementære kredsløb, der kræves til universel kvanteberegning.

"Vi var i stand til at demonstrere ekstremt high-fidelity resultater lige fra flagermus, hvilket er meget imponerende for optikmetoden, "sagde Pavel Lougovski, projektets hovedforsker. "Vi udarbejder et underfelt her på ORNL med vores frekvensbaserede kodningsarbejde."

Metoden udnytter bredt tilgængelig telekommunikationsteknologi med komponenter på hylden og giver resultater i høj kvalitet. Bestræbelser på at udvikle kvantegentagere, som forlænger afstanden, kan kvanteinformation overføres mellem fysisk adskilte computere, vil drage fordel af dette arbejde.

"Det faktum, at vores metode er telekomnet-kompatibel, er en stor fordel, "Sagde Lougovski." Vi kunne udføre kvanteoperationer på telekommunikationsnetværk, hvis det var nødvendigt. "

Peters tilføjede, at deres projekt viser, at ubrugt fiberoptisk båndbredde kan udnyttes for at reducere beregningstiden ved at køre operationer parallelt.

"Vores arbejde bruger frekvens største fordel - stabilitet - for at opnå meget høj trofasthed og derefter lave kontrolleret frekvensspring, når vi vil have det, "sagde Wigner -stipendiat Joseph Lukens, der ledede ORNL -eksperimentet. Forskerne har eksperimentelt vist, at kvantesystemer kan transformeres til at give ønskede output.

Forskerne foreslår, at deres metode kunne parres med eksisterende strålesplittende teknologi, drage fordel af begge styrker og bringe det videnskabelige samfund tættere på fuld brug af frekvensbaseret fotonisk kvanteinformationsbehandling.

Peters, Lougovski og Lukens, alle fysikere med ORNL's Quantum Information Science Group, samarbejdede med kandidatstuderende Hsuan-Hao Lu, professor Andrew Weiner, og kolleger på Purdue University. Teamet offentliggjorde teorien for deres eksperimenter i Optica i januar 2017.