Kvanteeksperimenter undersøger lysets magt til kommunikation, computing

Et team fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har gennemført en række eksperimenter for at få en bedre forståelse af kvantemekanik og forfølge fremskridt inden for kvantenetværk og kvanteberegning, hvilket kan føre til praktiske anvendelser inden for cybersikkerhed og andre områder.

ORNL kvanteforskere Joseph Lukens, Pavel Lougovski, Brian Williams, og Nicholas Peters - sammen med samarbejdspartnere fra Purdue University og Technological University of Pereira i Colombia - opsummerede resultaterne fra flere af deres seneste akademiske artikler i et særnummer af Optical Society's Nyheder om optik og fotonik , som fremviste nogle af de mest betydningsfulde resultater fra optikrelateret forskning i 2019. Deres post var en af ​​30 udvalgt til offentliggørelse fra en pulje på 91.

Konventionelle computer "bits" har en værdi på enten 0 eller 1, men kvantebits, kaldet "qubits, "kan eksistere i en superposition af kvantetilstande mærket 0 og 1. Denne evne gør kvantesystemer lovende til transmission, forarbejdning, opbevaring, og kryptering af store mængder information med hidtil usete hastigheder.

For at studere fotoner - enkelte lyspartikler, der kan fungere som qubits - brugte forskerne lyskilder kaldet kvanteoptiske frekvenskamme, der indeholder mange præcist definerede bølgelængder. Fordi de rejser med lysets hastighed og ikke interagerer med deres omgivelser, fotoner er en naturlig platform til at transportere kvanteinformation over lange afstande.

Interaktioner mellem fotoner er notorisk vanskelige at fremkalde og kontrollere, men disse muligheder er nødvendige for effektive kvantecomputere og kvanteporte, som er kvantekredsløb, der fungerer på qubits. Ikke-eksisterende eller uforudsigelige fotoniske interaktioner gør to-foton kvanteporte meget vanskeligere at udvikle end standard en-foton porte, men forskerne nåede flere store milepæle i nyere undersøgelser, der tog fat på disse udfordringer.

For eksempel, de foretog justeringer af eksisterende telekommunikationsudstyr, der blev brugt i optikforskning for at optimere dem til kvantefotonik. Deres resultater afslørede nye måder at bruge disse ressourcer til både traditionel og kvantekommunikation.

"Brug af dette udstyr til at manipulere med kvantetilstande er den teknologiske grundlag for alle disse eksperimenter, men vi forventede ikke at kunne bevæge os i den anden retning og forbedre klassisk kommunikation ved at arbejde med kvantekommunikation, "Lukens sagde." Disse interessante og uventede fund er dukket op, da vi dykker dybere ind i dette forskningsområde. "

Et sådant værktøj, en frekvensstrålesplitter, deler en enkelt lysstråle i to frekvenser, eller farver, af lys.

"Forestil dig, at du har en lysstråle ned ad en optisk fiber, der har en bestemt frekvens, sige, rød, "Sagde Lukens." Så, efter at have været igennem frekvensstrålesplitteren, fotonet vil forlade som to frekvenser, så det bliver både rødt og blåt. "

Medlemmerne af dette team var de første forskere, der med succes designede en kvantefrekvensstrålesplitter med standard lightwave -kommunikationsteknologi. Denne enhed optager røde og blå fotoner samtidigt, producerer derefter energi i enten den røde eller den blå frekvens. Ved at bruge denne metode til bevidst at ændre fotons frekvenser, holdet narret de genstridige partikler til gavnlige interaktioner baseret på kvanteinterferens, fænomenet fotoner, der forstyrrer deres egne baner.

"Det viste sig, at hyldenheder kan levere imponerende kontrol på enkeltfoton-niveau, som folk ikke vidste var muligt, "Sagde Lougovski.

Derudover forskerne gennemførte den første demonstration af en frekvensstritter, som opdeler en lysstråle i tre forskellige frekvenser i stedet for to. Deres resultater viste, at flere kvanteoplysningsbehandlingsoperationer kan køre på samme tid uden at indføre fejl eller beskadige dataene.

En anden vigtig bedrift var teamets design og demonstration af en tilfældighedsbaseret kontrolleret-IKKE port, som gør det muligt for en foton at styre et frekvensskift i en anden foton. Denne enhed gennemførte et universelt kvanteportsæt, hvilket betyder, at enhver kvantealgoritme kan udtrykkes som en sekvens inden for disse porte.

"Quantum computing -applikationer kræver meget mere imponerende kontrolniveauer end nogen form for klassisk computing, "Sagde Lougovski.

Teamet kodede også kvanteinformation i flere uafhængige værdier kendt som frihedsgrader inden for en enkelt foton, hvilket tillod dem at observere kvanteindviklingslignende effekter uden at skulle bruge to separate partikler. Forvikling involverer normalt to forbundne partikler, hvor ændringer foretaget i tilstanden af ​​den ene partikel også gælder for den anden.

Endelig, forskerne har gennemført kvantesimuleringer af fysiske problemer i den virkelige verden. I samarbejde med forskere ved Air Force Research Laboratory, de udvikler nu små, specialiserede siliciumchips, der ligner dem, der er almindelige inden for mikroelektronik i jagten på endnu bedre fotonisk ydeevne.

"I teorien, vi kan få alle disse operationer på en enkelt fotonisk chip, og vi ser et stort potentiale for at lave lignende kvanteeksperimenter på denne nye platform, "Lukens sagde." Det er det næste skridt for virkelig at rykke denne teknologi fremad. "

Fremtidige kvantecomputere vil give forskere mulighed for at simulere utroligt komplekse videnskabelige problemer, der ville være umulige at studere på nuværende systemer, selv supercomputere. I mellemtiden, teamets resultater kan hjælpe forskere med at integrere fotoniske systemer i de nuværende højtydende computerressourcer.

"Vi har et meget mangfoldigt og talentfuldt team, "Lougovski sagde." Det vigtigste er, at vi får resultater. "