Forskere bevæger sig tættere på praktisk fotonisk kvanteberegning

For første gang, forskere har demonstreret en måde at kortlægge og måle storskala fotonisk kvantekorrelation med enkelt-foton følsomhed. Evnen til at måle tusindvis af forekomster af kvantekorrelation er afgørende for at gøre fotonbaseret kvanteberegning praktisk.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, en multiinstitutionel gruppe forskere rapporterer om den nye måleteknik, som kaldes korrelation på rumligt kortlagt foton-niveau-billede (COSPLI). De udviklede også en måde at registrere signaler fra enkeltfotoner og deres korrelationer i titusinder af billeder.

"COSPLI har potentialet til at blive en alsidig løsning til at udføre kvantepartikelmålinger i store fotoniske kvantecomputere, "sagde forskningsteamlederen Xian-Min Jin, fra Shanghai Jiao Tong University, Kina. "Denne unikke tilgang ville også være nyttig til kvantesimulering, kvantekommunikation, kvantefølelse og enkeltfoton biomedicinsk billeddannelse. "

Interagerende fotoner

Quantum computing teknologi lover at være betydeligt hurtigere end traditionel computing, som læser og skriver data kodet som bits, der enten er et nul eller et. I stedet for bits, kvanteberegning bruger qubits, der kan være i to tilstande på samme tid og vil interagere, eller korrelere, med hinanden. Disse qubits, som kan være en elektron eller foton, gør det muligt at udføre mange processer samtidigt.

En vigtig udfordring i udviklingen af ​​kvantecomputere er at finde en måde at måle og manipulere de tusindvis af qubits, der er nødvendige for at behandle ekstremt store datasæt. For fotonbaserede metoder, Antallet af qubits kan øges uden at bruge flere fotoner ved at øge antallet af tilstande, der er kodet i fotoniske frihedsgrader - såsom polarisering, frekvens, tid og sted - målt for hver foton. Dette gør det muligt for hver foton at udvise mere end to tilstande, eller stater, samtidigt. Forskerne brugte tidligere denne fremgangsmåde til at fremstille verdens største fotoniske kvantechips, som kunne besidde et statsrum svarende til tusindvis af qubits.

Imidlertid, at inkorporere de nye fotoniske kvantechips i en kvantecomputer kræver måling af alle tilstande og deres fotoniske korrelationer på et enkelt-foton-niveau. Indtil nu, den eneste måde at opnå dette på ville være at bruge en enkelt-foton detektor til hver mode udstillet af hver foton. Dette ville kræve tusindvis af enkeltfotondetektorer og koste omkring 12 millioner dollars for en enkelt computer.

"Det er økonomisk umuligt og teknisk udfordrende at adressere tusindvis af tilstande samtidigt med enkeltfotondetektorer, "sagde Jin." Dette problem repræsenterer en afgørende flaskehals for at realisere en stor fotonisk kvantecomputer. "

Single-foton følsomhed

Selvom kommercielt tilgængelige CCD-kameraer er følsomme over for enkeltfotoner og meget billigere end enkeltfotondetektorer, signalerne fra individuelle fotoner tilsløres ofte af store mængder støj. Efter to års arbejde, forskerne udviklede metoder til at undertrykke støjen, så enkelte fotoner kunne detekteres med hver pixel af et CCD -kamera.

Den anden udfordring var at bestemme en enkelt foton polarisering, frekvens, tid og sted, som hver kræver en anden måleteknik. Med COSPLI, de fotoniske korrelationer fra andre tilstande er alle kortlagt til den rumlige tilstand, hvilket gør det muligt at måle alle tilstande med CCD -kameraet.

For at demonstrere COSPLI, forskerne brugte deres tilgang til at måle ledspektre af korrelerede fotoner i ti millioner billedrammer. De rekonstruerede spektre stemte godt overens med teoretiske beregninger, dermed demonstrere pålideligheden af ​​måle- og kortlægningsmetoden samt single-foton detektion. Forskerne arbejder nu på at forbedre billedhastigheden af ​​systemet fra titusindvis til millioner af billeder i sekundet.

"Vi ved, at det er meget svært at bygge en praktisk kvantecomputer, og det er endnu ikke klart, hvilken implementering der vil være den bedste, "sagde Jin." Dette arbejde tilføjer tillid til, at en kvantecomputer baseret på fotoner kan være en praktisk vej frem. "