Forskere demonstrerer en ny byggesten i kvantecomputing

Forskere fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har demonstreret et nyt niveau af kontrol over fotoner kodet med kvanteinformation. Deres forskning blev offentliggjort i Optica .

Joseph Lukens, Brian Williams, Nicholas Peters, og Pavel Lougovski, forskere med ORNL's Quantum Information Science Group, udført særskilt, uafhængige operationer samtidigt på to qubits kodet på fotoner med forskellige frekvenser, en nøglefunktion i lineær optisk kvanteberegning. Qubits er den mindste enhed af kvanteinformation.

Kvanteforskere, der arbejder med frekvenskodede qubits, har været i stand til at udføre en enkelt operation på to qubits parallelt, men det kommer til kort for kvanteberegning.

"For at realisere universal quantum computing, du skal være i stand til at udføre forskellige operationer på forskellige qubits på samme tid, og det er det, vi har gjort her, "Sagde Lougovski.

Ifølge Lougovski, teamets eksperimentelle system-to sammenfiltrede fotoner indeholdt i en enkelt fiberoptisk kabel-er den "mindste kvantecomputer, du kan forestille dig. Dette papir markerer den første demonstration af vores frekvensbaserede tilgang til universel kvanteberegning."

"Mange forskere taler om kvanteinformationsbehandling med fotoner, og endda bruge frekvens, "sagde Lukens." Men ingen havde tænkt på at sende flere fotoner gennem den samme fiberoptiske streng, i samme rum, og operere på dem anderledes. "

Teamets kvantefrekvensprocessor tillod dem at manipulere fotons frekvens for at skabe superposition, en tilstand, der muliggør kvanteoperationer og computing.

I modsætning til databit, der er kodet til klassisk computing, overlejrede qubits kodet i en foton frekvens har en værdi på 0 og 1, snarere end 0 eller 1. Denne kapacitet gør det muligt for kvantecomputere at udføre operationer samtidigt på større datasæt end nutidens supercomputere.

Ved at bruge deres processor, forskerne demonstrerede 97 procent interferenssynlighed - et mål på, hvor ens to fotoner er - sammenlignet med den 70 procent sigtbarhed, der blev returneret i lignende forskning. Deres resultat indikerede, at fotonernes kvantetilstande var praktisk talt identiske.

Forskerne anvendte også en statistisk metode forbundet med maskinlæring for at bevise, at operationerne blev udført med meget høj trofasthed og på en fuldstændig kontrolleret måde.

"Vi var i stand til at udtrække flere oplysninger om kvantetilstanden i vores eksperimentelle system ved hjælp af bayesisk slutning, end hvis vi havde brugt mere almindelige statistiske metoder, "Sagde Williams.

"Dette arbejde repræsenterer første gang, vores teams proces har returneret et faktisk kvanteresultat."

Williams påpegede, at deres eksperimentelle setup giver stabilitet og kontrol. "Når fotonerne går forskellige veje i udstyret, de oplever forskellige faseændringer, og det fører til ustabilitet, " sagde han. "Når de rejser gennem den samme enhed, I dette tilfælde, den fiberoptiske streng, du har bedre kontrol. "

Stabilitet og kontrol muliggør kvanteoperationer, der bevarer oplysninger, reducere informationsbehandlingstiden, og forbedre energieffektiviteten. Forskerne sammenlignede deres igangværende projekter, begyndte i 2016, til byggeklodser, der vil kæde sammen for at muliggøre storstilet kvanteberegning.

"Der er trin, du skal tage, før du tager det næste, mere kompliceret trin, "Peters sagde." Vores tidligere projekter fokuserede på at udvikle grundlæggende kapaciteter og sætter os i stand til nu at arbejde inden for fuldt kvanteområdet med fuldt kvante input -tilstande. "

Lukens sagde, at teamets resultater viser, at "vi kan kontrollere qubits kvantetilstande, ændre deres sammenhænge, og modificere dem ved hjælp af standard telekommunikationsteknologi på måder, der er anvendelige til at fremme kvanteberegning."

Når først byggestenene i kvantecomputere er på plads, han tilføjede, "vi kan begynde at forbinde kvanteenheder for at bygge kvanteinternet, hvilket er det næste, spændende trin. "

På samme måde som information behandles forskelligt fra supercomputer til supercomputer, afspejler forskellige udviklere og workflow-prioriteter, kvanteenheder vil fungere ved hjælp af forskellige frekvenser. Dette vil gøre det udfordrende at forbinde dem, så de kan arbejde sammen, hvordan nutidens computere interagerer på internettet.

Dette arbejde er en forlængelse af teamets tidligere demonstrationer af kvanteinformationsbehandlingskapacitet på standard telekommunikationsteknologi. Desuden, de sagde, Det er praktisk at udnytte eksisterende fiberoptisk netværksinfrastruktur til kvanteberegning:der er investeret milliarder af dollars, og kvanteinformationsbehandling repræsenterer en ny anvendelse.

Forskerne sagde, at dette "fuld cirkel" -aspekt af deres arbejde er yderst tilfredsstillende. "Vi startede vores forskning sammen for at undersøge brugen af ​​standard telekommunikationsteknologi til behandling af kvanteoplysninger, og vi har fundet ud af, at vi kan gå tilbage til det klassiske domæne og forbedre det, "Sagde Lukens.