Fysikere teleporterer logisk operation mellem adskilte ioner

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har teleporteret en computerkredsløbsinstruktion kendt som en kvantelogisk operation mellem to adskilte ioner (elektrisk ladede atomer), viser, hvordan kvantecomputerprogrammer kan udføre opgaver i fremtidige store kvantenetværk.

Kvanteteleportering overfører data fra et kvantesystem (såsom en ion) til et andet (såsom en anden ion), selvom de to er fuldstændig isoleret fra hinanden, som to bøger i kældrene i separate bygninger. I denne virkelige form for teleportation, kun kvanteinformation, betyder ikke noget, er transporteret, i modsætning til Star Trek-versionen af ​​at "stråle" hele mennesker fra, sige, et rumskib til en planet.

Teleportering af kvantedata er tidligere blevet demonstreret med ioner og en række andre kvantesystemer. Men det nye værk er det første til at teleportere en komplet kvantelogisk operation ved hjælp af ioner, en førende kandidat til arkitekturen af ​​fremtidige kvantecomputere. Forsøgene er beskrevet i 31. maj-nummeret af Videnskab .

"Vi bekræftede, at vores logiske operation virker på alle inputtilstande af to kvantebits med 85 til 87% sandsynlighed - langt fra perfekt, men det er en start, " NIST-fysiker Dietrich Leibfried sagde.

En fuldskala kvantecomputer, hvis en kan bygges, kunne løse visse problemer, der i øjeblikket er uløselige. NIST har bidraget til den globale forskningsindsats for at udnytte kvanteadfærd til praktiske teknologier, herunder bestræbelser på at bygge kvantecomputere.

For at kvantecomputere skal fungere som håbet, de vil sandsynligvis have brug for millioner af kvantebits, eller "qubits, " samt måder at udføre operationer mellem qubits fordelt på tværs af store maskiner og netværk. Teleportering af logiske operationer er en måde at gøre det uden direkte kvantemekaniske forbindelser (fysiske forbindelser til udveksling af klassisk information vil stadig være nødvendige).

NIST-holdet teleporterede en kvantestyret-NOT (CNOT) logikoperation, eller logisk port, mellem to berylliumion-qubits placeret mere end 340 mikrometer (milliontedele af en meter) fra hinanden i separate zoner i en ionfælde, en afstand, der udelukker enhver væsentlig direkte interaktion. En CNOT-operation vender den anden qubit fra 0 til 1, eller omvendt, kun hvis den første qubit er 1; der sker ikke noget, hvis den første qubit er 0. På typisk kvantemåde, begge qubits kan være i "superpositioner", hvor de har værdier på både 1 og 0 på samme tid.

NIST-teleporteringsprocessen er afhængig af sammenfiltring, som forbinder partiklernes kvanteegenskaber, selv når de er adskilt. Et "budbringer"-par af sammenfiltrede magnesiumioner bruges til at overføre information mellem beryllium-ionerne (se infografik).

NIST-holdet fandt ud af, at dets teleporterede CNOT-proces viklede de to magnesiumioner ind - et afgørende tidligt skridt - med en succesrate på 95 %, mens den fulde logiske operation lykkedes 85% til 87% af tiden.

"Gate-teleportation giver os mulighed for at udføre en kvantelogisk gate mellem to ioner, der er rumligt adskilt og måske aldrig har interageret før, " sagde Leibfried. "Tricket er, at de hver har en ion af et andet sammenfiltret par ved deres side, og denne sammenfiltringsressource, fordelt foran porten, giver os mulighed for at lave et kvantetrick, der ikke har nogen klassisk pendant."

"De sammenfiltrede messenger-par kunne produceres i en dedikeret del af computeren og sendes separat til qubits, der skal forbindes med en logisk gate, men er på fjerntliggende steder, " tilføjede Leibfried.

NIST-arbejdet er også integreret i et enkelt eksperiment, for første gang, flere operationer, der vil være afgørende for at bygge storskala kvantecomputere baseret på ioner, herunder kontrol af forskellige typer ioner, ion transport, og sammenfiltringsoperationer på udvalgte delmængder af systemet.

For at bekræfte, at de udførte en CNOT-port, forskerne forberedte den første qubit i 16 forskellige kombinationer af inputtilstande og målte derefter outputtet på den anden qubit. Dette producerede en generaliseret kvante "sandhedstabel", der viser processen fungerede.

Ud over at generere en sandhedstabel, forskerne kontrollerede konsistensen af ​​dataene over længere køretider for at hjælpe med at identificere fejlkilder i forsøgsopsætningen. Denne teknik forventes at være et vigtigt værktøj til at karakterisere kvanteinformationsprocesser i fremtidige eksperimenter.