Generering af fotoner til kommunikation i et kvanteberegningssystem

MIT -forskere, der bruger superledende kvantebits forbundet til en mikrobølgetransmissionslinje, har vist, hvordan qubitterne kan generere fotoner efter behov eller lyspartikler, nødvendig for kommunikation mellem kvanteprocessorer.

Fremskridtet er et vigtigt skridt i retning af at opnå de sammenkoblinger, der ville gøre det muligt for et modulært kvanteberegningssystem at udføre operationer med eksponentielt hurtigere hastigheder, end klassiske computere kan opnå.

"Modulær kvanteberegning er en teknik til at nå kvanteberegning i stor skala ved at dele arbejdsbyrden over flere behandlingsnoder, "siger Bharath Kannan, MIT -kandidat og første forfatter til et papir om dette emne, der blev offentliggjort i dag i Videnskab fremskridt . "Disse knuder, imidlertid, er generelt ikke samlokaliseret, så vi skal være i stand til at kommunikere kvanteinformation mellem fjerne steder. "

I klassiske computere, ledninger bruges til at dirigere information frem og tilbage gennem en processor under beregning. I en kvantecomputer, selve oplysningerne er kvantemekaniske og skrøbelige, kræver nye strategier til samtidig at behandle og kommunikere information.

"Superledende qubits er en førende teknologi i dag, men de understøtter generelt kun lokale interaktioner (nærmeste nabo eller qubits meget tæt på). Spørgsmålet er, hvordan man opretter forbindelse til qubits, der er på fjerne steder, "siger William Oliver, lektor i elektroteknik og datalogi, MIT Lincoln Laboratory stipendiat, direktør for Center for Quantum Engineering, og associeret direktør for Research Laboratory of Electronics. "Vi har brug for kvanteforbindelser, ideelt baseret på mikrobølge bølgeledere, der kan guide kvanteinformation fra et sted til et andet. "

Denne kommunikation kan ske via mikrobølgetransmissionslinjen, eller bølgeleder, da excitationer lagret i qubits genererer fotonpar, som udsendes i bølgelederen og derefter rejser til to fjerne behandlingsknudepunkter. De identiske fotoner siges at være "sammenfiltrede, "fungerer som et system. Når de rejser til fjerne behandlingsknudepunkter, de kan distribuere denne sammenfiltring gennem et kvantenetværk.

"Vi genererer de sammenfiltrede fotoner på forespørgsel ved hjælp af qubits og frigiver derefter den sammenfiltrede tilstand til bølgelederen med meget høj effektivitet, hovedsagelig enhed, "siger Oliver.

Undersøgelsen rapporterede i Videnskab fremskridt papir anvender en relativt enkel teknik, Siger Kannan.

"Vores arbejde præsenterer en ny arkitektur til at generere fotoner, der er rumligt sammenfiltrede på en meget enkel måde, kun ved hjælp af en bølgeleder og et par qubits, der fungerer som de fotoniske emittere, "siger Kannan." Indviklingen mellem fotonerne kan derefter overføres til processorer til brug i kvantekommunikation eller sammenkoblingsprotokoller. "

Mens forskerne sagde, at de endnu ikke har implementeret disse kommunikationsprotokoller, deres igangværende forskning er rettet i den retning.

"Vi har endnu ikke udført kommunikationen mellem processorer i dette arbejde, men viste snarere, hvordan vi kan generere fotoner, der er nyttige til kvantekommunikation og sammenkobling, "Siger Kannan.

Tidligere arbejde af Kannan, Oliver, og kolleger introducerede en bølgeleder -kvanteelektrodynamisk arkitektur ved hjælp af superledende qubits, der i det væsentlige er en type kunstigt gigantatom. Denne forskning demonstrerede, hvordan en sådan arkitektur kan udføre lav-fejl kvanteberegning og dele kvanteinformation mellem processorer. Dette opnås ved at justere frekvensen af ​​qubits for at justere qubit-bølgeleder-interaktionsstyrken, så de skrøbelige qubits kan beskyttes mod bølgeleder-induceret dekoherens for at udføre qubit-operationer i høj kvalitet, og derefter justere qubit -frekvensen, så qubits er i stand til at frigive deres kvanteinformation til bølgelederen i form af fotoner.

Dette papir præsenterede evnen til fotongenerering af bølgelederens kvanteelektrodynamiske arkitektur, viser, at qubits kan bruges som kvanteemittere til bølgelederen. Forskerne demonstrerede, at kvanteinterferens mellem de fotoner, der udsendes i bølgelederen, genererer sammenfiltrede, omrejsende fotoner, der bevæger sig i modsatte retninger og kan bruges til langdistancekommunikation mellem kvanteprocessorer.

Generering af rumligt sammenfiltrede fotoner i optiske systemer opnås typisk ved hjælp af spontan parametrisk nedkonvertering og fotodetektorer, men den genererede sammenfiltring opnået på den måde er generelt tilfældig og derfor mindre nyttig til at muliggøre on-demand kommunikation af kvanteinformation i et distribueret system.

"Modularitet er et nøglebegreb for ethvert udvideligt system, "siger Oliver." Vores mål her er at demonstrere de elementer i kvanteforbindelser, der burde være nyttige i fremtidige kvanteprocessorer. "