En ny brik i kvantecomputerpuslespillet

Forskning fra McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis har fundet en manglende brik i puslespillet om optisk kvanteberegning.

Jung-Tsung Shen, lektor ved Institut for Elektro- og Systemteknik, har udviklet en deterministisk, high-fidelity to-bit quantum logic gate, der drager fordel af en ny form for lys. Denne nye logiske port er størrelsesordener mere effektiv end den nuværende teknologi.

"I det ideelle tilfælde, troskaben kan være så høj som 97 %, " sagde Shen.

Hans forskning blev offentliggjort i maj 2021 i tidsskriftet Fysisk gennemgang A .

Kvantecomputeres potentiale er bundet til de usædvanlige egenskaber ved superposition – et kvantesystems evne til at indeholde mange forskellige egenskaber, eller stater, på samme tid-og sammenfiltring-to partikler, der virker som om de er korreleret på en ikke-klassisk måde, på trods af at de er fysisk fjernet fra hinanden.

Hvor spænding bestemmer værdien af ​​en bit (et 1 eller et 0) i en klassisk computer, forskere bruger ofte individuelle elektroner som "qubits, " kvanteækvivalenten. Elektroner har adskillige egenskaber, der passer dem godt til opgaven:de manipuleres let af et elektrisk eller magnetisk felt, og de interagerer med hinanden. Interaktion er en fordel, når du har brug for to bits til at blive viklet ind - lad ørkenen lade være af kvantemekanikken manifesterer sig.

Men deres tilbøjelighed til at interagere er også et problem. Alt fra omstrejfende magnetiske felter til elledninger kan påvirke elektroner, gør dem svære at virkelig kontrollere.

I de sidste to årtier, imidlertid, nogle videnskabsmænd har forsøgt at bruge fotoner som qubits i stedet for elektroner. "Hvis computere skal have en reel indflydelse, vi skal se på at skabe platformen ved hjælp af lys, " sagde Shen.

Fotoner koster ikke noget, hvilket kan føre til de modsatte problemer:de interagerer ikke med miljøet som elektroner, men de interagerer heller ikke med hinanden. Det har også været udfordrende at konstruere og skabe ad hoc (effektive) inter-foton-interaktioner. Eller så gik traditionel tænkning.

For mindre end ti år siden, forskere, der arbejder med dette problem, opdagede, at selvom de ikke blev viklet ind, da de kom ind i en logisk port, handlingen med at måle de to fotoner, da de forlod, fik dem til at opføre sig som om de havde været. De unikke egenskaber ved måling er en anden vild manifestation af kvantemekanikken.

"Kvantemekanik er ikke svært, men den er fuld af overraskelser, " sagde Shen.

Måleopdagelsen var banebrydende, men ikke helt spilskiftende. Det er fordi for hver 1. 000, 000 fotoner, kun ét par blev viklet ind. Forskere har siden haft større succes, men, Shen sagde, "Det er stadig ikke godt nok til en computer, " som skal udføre millioner til milliarder af operationer i sekundet.

Shen var i stand til at bygge en to-bit kvantelogikport med en sådan effektivitet på grund af opdagelsen af ​​en ny klasse af kvantefotoniske tilstande - fotoniske dimerer, fotoner viklet ind i både rum og frekvens. Hans forudsigelse af deres eksistens blev eksperimentelt valideret i 2013, og han har siden fundet anvendelser til denne nye form for lys.

Når en enkelt foton kommer ind i en logisk port, intet bemærkelsesværdigt sker – det går ind og ud. Men når der er to fotoner, "Det var da, vi forudsagde, at de to kunne lave en ny tilstand, fotoniske dimerer. Det viser sig, at denne nye stat er afgørende."

Matematisk, der er mange måder at designe en logisk gate til to-bit operationer. Disse forskellige designs kaldes ækvivalente. Den specifikke logiske gate, som Shen og hans forskningsgruppe designede, er den kontrollerede fase-port (eller kontrolleret-Z-porten). Den primære funktion af den kontrollerede fase-gate er, at de to fotoner, der kommer ud, er i den negative tilstand af de to fotoner, der gik ind.

"I klassiske kredsløb, der er ingen minustegn, "Sagde Shen." Men i kvanteberegning, det viser sig, at minustegnet eksisterer og er afgørende."

Når to uafhængige fotoner (der repræsenterer to optiske qubits) kommer ind i den logiske port, "Designet af den logiske port er sådan, at de to fotoner kan danne en fotonisk dimer, " sagde Shen. "Det viser sig, at den nye kvantefotoniske tilstand er afgørende, da den gør det muligt for outputtilstanden at have det korrekte tegn, der er afgørende for de optiske logiske operationer."

Shen har arbejdet med University of Michigan for at teste sit design, som er en solid-state logisk gate - en der kan fungere under moderate forhold. Indtil nu, han siger, resultater virker positive.

Shen siger dette resultat, mens det er forvirrende for de fleste, er klar som dag for de kendte.

"Det er som et puslespil, " sagde han. "Det kan være kompliceret at gøre, men når det er gjort, bare ved at kigge på det, du vil vide, at det er korrekt."