Forskere sender indviklede qubit-tilstande gennem en kommunikationskanal for første gang

I et gennembrud for kvanteberegning, University of Chicago forskere har sendt sammenfiltrede qubit-tilstande gennem et kommunikationskabel, der forbinder en kvantenetværksknude til en anden knude.

Forskerne, baseret på Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago, også forstærket en sammenfiltret tilstand via det samme kabel først ved at bruge kablet til at sammenfiltre to qubits i hver af to noder, derefter vikle disse qubits yderligere sammen med andre qubits i knudepunkterne.

Resultaterne, offentliggjort 24. februar, 2021 i Natur , kunne hjælpe med at gøre kvanteberegning mere gennemførlig og kunne lægge grunden til fremtidige kvantekommunikationsnetværk.

"At udvikle metoder, der giver os mulighed for at overføre sammenfiltrede tilstande, vil være afgørende for at skalere kvanteberegninger, " sagde prof. Andrew Cleland, der ledede forskningen.

Sender sammenfiltrede fotoner gennem et netværk

Qubits, eller kvantebits, er de grundlæggende enheder af kvanteinformation. Ved at udnytte deres kvanteegenskaber, som superposition, og deres evne til at blive viklet sammen, videnskabsmænd og ingeniører skaber næste generations kvantecomputere, der vil kunne løse tidligere uløselige problemer.

Cleland Lab bruger superledende qubits, små kryogene kredsløb, der kan manipuleres elektrisk.

For at sende de sammenfiltrede tilstande gennem kommunikationskablet - et en meter langt superledende kabel - skabte forskerne et eksperimentelt set-up med tre superledende qubits i hver af to noder. De tilsluttede en qubit i hver node til kablet og sendte derefter kvantetilstande, i form af mikrobølgefotoner, gennem kablet med minimalt tab af information. Kvantetilstandes skrøbelige natur gør denne proces ret udfordrende.

Clelands tidligere postdoc-stipendiat, papir første forfatter Youpeng Zhong, var i stand til at udvikle et system, hvor hele overførselsprocessen - node til kabel til node - kun tager nogle få snese nanosekunder (et nanosekund er en milliardtedel af et sekund). Det gjorde det muligt for dem at sende indviklede kvantetilstande med meget lidt informationstab.

Systemet tillod dem også at "forstærke" sammenfiltringen af ​​qubits. Forskerne brugte en qubit i hver knude og viklede dem sammen ved i det væsentlige at sende en halv-foton gennem kablet. De udvidede derefter denne sammenfiltring til de andre qubits i hver knude. Da de var færdige, alle seks qubits i to noder var viklet ind i en enkelt globalt viklet tilstand.

Oprettelse af en skaleret, netværksforbundet kvantecomputer

I fremtiden, kvantecomputere vil sandsynligvis blive bygget ud af moduler, hvor familier af sammenfiltrede qubits udfører en beregning. Disse computere kunne i sidste ende bygges ud fra mange sådanne netværksmoduler, svarende til, hvordan supercomputere i dag udfører parallel databehandling på mange centralenheder forbundet med hinanden. Evnen til eksternt at vikle qubits ind i forskellige moduler, eller noder, er et væsentligt fremskridt for at muliggøre sådanne modulære tilgange.

"Disse moduler skal sende komplekse kvantetilstande til hinanden, og dette er et stort skridt hen imod det, " sagde Cleland. Et kvantekommunikationsnetværk kunne også potentielt drage fordel af dette fremskridt.

Cleland og hans gruppe håber næste gang at udvide deres system til tre knudepunkter for at bygge tre-vejs sammenfiltring.

"Vi ønsker at vise, at superledende qubits har en levedygtig rolle fremadrettet, " han sagde.