Forskere bygger transistorlignende port til kvanteinformationsbehandling - med qudits

Kvanteinformationsbehandling lover at være meget hurtigere og mere sikker end hvad nutidens supercomputere kan opnå, men eksisterer ikke endnu, fordi dens byggesten, qubits, er notorisk ustabile.

Purdue University-forskere er blandt de første til at bygge en gate - hvad kunne være en kvanteversion af en transistor, bruges i nutidens computere til behandling af information - med qudits. Hvorimod qubits kun kan eksistere i superpositioner af 0 og 1 tilstande, qudits findes i flere tilstande, såsom 0 og 1 og 2. Flere tilstande betyder, at flere data kan kodes og behandles.

Porten ville ikke kun være mere effektiv end qubit-porte, men også mere stabil, fordi forskerne pakkede qudits ind i fotoner, partikler af lys, der ikke let forstyrres af deres omgivelser. Forskernes resultater fremgår af npj Quantum Information.

Porten skaber også en af ​​de største sammenfiltrede tilstande af kvantepartikler til dato - i dette tilfælde, fotoner. Entanglement er et kvantefænomen, der tillader målinger på en partikel automatisk at påvirke målinger på en anden partikel, at bringe evnen til at gøre kommunikation mellem parter ubrydelig eller til at teleportere kvanteinformation fra et punkt til et andet, for eksempel.

Jo mere sammenfiltring i det såkaldte Hilbert-rum - det rige, hvor kvanteinformationsbehandling kan finde sted - jo bedre.

Tidligere fotoniske tilgange var i stand til at nå 18 qubits kodet i seks sammenfiltrede fotoner i Hilbert-rummet. Purdue-forskere maksimerede sammenfiltringen med en port ved hjælp af fire qudits - svarende til 20 qubits - kodet i kun to fotoner.

I kvantekommunikation, mindre er mere. "Fotoner er dyre i kvanteforstand, fordi de er svære at generere og kontrollere, så det er ideelt at pakke så meget information som muligt ind i hver foton, " sagde Poolad Imany, en postdoc-forsker ved Purdues School of Electrical and Computer Engineering.

Holdet opnåede mere sammenfiltring med færre fotoner ved at kode en qudit i tidsdomænet og den anden i frekvensdomænet for hver af de to fotoner. De byggede en port ved hjælp af de to qudits kodet i hver foton, for i alt fire qudits i 32 dimensioner, eller muligheder, af både tid og frekvens. Jo flere dimensioner, jo mere sammenfiltring.

Ved at starte fra to fotoner, der er viklet ind i frekvensdomænet og derefter betjene porten for at sammenfiltre tids- og frekvensdomænerne for hver foton, genereres fire fuldstændigt sammenfiltrede qudits, som optager et Hilbert-rum på 1, 048, 576 dimensioner, eller 32 til fjerde potens.

Typisk, porte bygget på fotoniske platforme til at manipulere kvanteinformation kodet i separate fotoner fungerer kun nogle gange, fordi fotoner naturligt ikke interagerer med hinanden særlig godt, hvilket gør det ekstremt vanskeligt at manipulere en fotons tilstand baseret på en andens tilstand. Ved at kode kvanteinformation i fotonernes tids- og frekvensdomæner, Purdue-forskere gjorde driften af ​​kvanteporten deterministisk i modsætning til probabilistisk.

Holdet implementerede porten med et sæt standard hyldeudstyr, der bruges dagligt i den optiske kommunikationsindustri.

"Denne port giver os mulighed for at manipulere information på en forudsigelig og deterministisk måde, hvilket betyder, at det kunne udføre de operationer, der er nødvendige for visse kvanteinformationsbehandlingsopgaver, " sagde Andrew Weiner, Purdue's Scifres Family Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering, hvis laboratorium er specialiseret i ultrahurtig optik.

Næste, teamet ønsker at bruge porten i kvantekommunikationsopgaver såsom højdimensionel kvanteteleportation samt til at udføre kvantealgoritmer i applikationer som kvantemaskinelæring eller simulering af molekyler.