Hurtigt værktøj udviklet til kvanteberegning og kommunikation

Isaac Nape, et spirende sydafrikansk talent i undersøgelsen af ​​kvanteoptik, er en del af et crack -team af Wits -fysikere, der ledede en international undersøgelse, der afslørede de skjulte strukturer i kvanteindviklede stater. Undersøgelsen blev offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift, Naturkommunikation , på fredag, 27. august 2021.

Nape forfølger sin ph.d. ved Wits University og fokuserer på at udnytte strukturerede lysmønstre til højdimensionel informationskodning og afkodning til brug i kvantekommunikation.

Tidligere på året vandt han to priser på konferencen af ​​South African Institute of Physics (SAIP) for at tilføje til hans voksende samling af anerkendelser inden for optik og fotonik. Han vandt prisen for "Bedste ph.d. mundtlige præsentation i anvendt fysik, "og vandt i fællesskab prisen for" Bedste ph.d. mundtlig præsentation i fotonik. "

I maj, han blev også tildelt det prestigefyldte 2021 Optics and Photonics Education Scholarship fra SPIE, det internationale samfund for optik og fotonik, for hans potentielle bidrag til optikområdet, fotonik eller beslægtet felt.

Hurtigere og mere sikker computing

Nu er Nape og hans kolleger i Wits, sammen med samarbejdspartnere fra Skotland og Taiwan tilbyde et nyt og hurtigt værktøj til quantum computing og kommunikation. "Kvantetilstande, der er viklet ind i mange dimensioner, er nøglen til vores nye kvanteteknologier, hvor flere dimensioner betyder en højere kvantebåndbredde (hurtigere) og bedre modstandsdygtighed over for støj (sikkerhed), afgørende for både hurtig og sikker kommunikation og fremskynde i fejlfri quantum computing.

"Det, vi har gjort her, er at opfinde en ny tilgang til at undersøge disse 'højdimensionelle' kvantetilstande, reducere måletiden fra årtier til minutter, "Nape forklarer.

Nape arbejdede sammen med fremtrædende professor Andrew Forbes, hovedforsker på denne undersøgelse og direktør for det strukturerede lyslaboratorium på Fysikskolen i Wits, samt postdoktor Dr. Valeria Rodriguez-Fajardo, besøger den taiwanske forsker Dr. Hasiao-Chih Huang, og Dr. Jonathan Leach og Dr. Feng Zhu fra Heriot-Watt University i Skotland.

Er du kvant eller ej?

I deres papir med titlen "Måling af dimensionalitet og renhed af højdimensionale sammenfiltrede tilstande, "holdet skitserede en ny tilgang til kvantemåling, tester den på en 100 dimensionel kvanteindviklet tilstand.

Med traditionelle metoder, målingstidspunktet stiger ugunstigt med dimension, så det ville tage årtier at opklare en 100-dimensionel tilstand ved en fuld kvantetilstandstomografi. I stedet, teamet viste, at de fremtrædende oplysninger om kvantesystemet - antallet af sammenfiltrede dimensioner og deres renhedsniveau - kunne udledes på få minutter. Den nye tilgang kræver kun simple fremskrivninger, der let kunne udføres i de fleste laboratorier med konventionelle værktøjer. Brug lys som eksempel, teamet ved hjælp af en helt digital tilgang til at udføre målingerne.

Problemet, forklarer Nape, er at mens højdimensionelle tilstande let laves, især med sammenfiltrede lyspartikler (fotoner), de er ikke lette at måle - den eksisterende værktøjskasse til måling og styring af dem er næsten tom.

Du kan tænke på en højdimensionel kvantetilstand som ansigter på en terning. En konventionel terning har seks ansigter, nummereret en til seks, til et seksdimensionalt alfabet, der kan bruges til computing eller til overførsel af information i kommunikation. At lave 'højdimensionelle terninger' betyder at skabe terninger med mange flere ansigter:100 dimensioner er lig med 100 ansigter-en ret kompliceret polygon.

"I vores hverdag, det ville være let at tælle ansigterne for at vide, hvilken slags ressource vi havde til rådighed, men ikke sådan i kvanteverdenen. I kvanteverdenen, du kan aldrig se hele dø, så det er meget svært at tælle ansigterne. Måden vi kommer uden om dette er ved at lave en tomografi, som de gør i den medicinske verden, bygge et billede af mange, mange skiver af objektet, "forklarer Nape.

Men oplysningerne i kvanteobjekter kan være enorme, så tiden for denne proces er uoverkommelig. En hurtigere tilgang er en Bell -måling, en berømt test for at fortælle, om det, du har foran dig, er viklet ind, som at spørge det "er du kvante eller ej?" Men selvom dette bekræfter kvantekorrelationer mellem terningerne, det siger ikke meget om antallet af ansigter, det har.

Chance opdagelse

"Vores arbejde omgåede problemet ved en tilfældig opdagelse, at der er et sæt målinger, der ikke er en tomografi og ikke en Bell -måling, men det indeholder vigtig information om begge dele, "siger Nape." I teknisk sprogbrug, vi blandede disse to målingstilgange til at lave flere fremskrivninger, der ligner en tomografi, men måler synligheden af ​​resultatet, som om de var Bell -målinger. Dette afslørede den skjulte information, der kunne udvindes fra styrken af ​​kvantekorrelationerne på tværs af mange dimensioner. "

Først og hurtigt

Kombinationen af ​​hastighed fra den Bell-lignende tilgang og information fra den tomografilignende fremgangsmåde betød, at centrale kvanteparametre, såsom dimensionalitet og kvantetilstandens renhed, hurtigt og kvantitativt kunne bestemmes, den første tilgang til at gøre det.

"Vi foreslår ikke, at vores tilgang erstatter andre teknikker, "siger Forbes." Snarere, vi ser det som en hurtig sonde for at afsløre, hvad du har at gøre med, og brug derefter disse oplysninger til at træffe en informeret beslutning om, hvad der skal gøres derefter. Et tilfælde med heste-til-kurser. "

For eksempel, holdet ser deres tilgang som at ændre spillet i virkelige kvantekommunikationsforbindelser, hvor en hurtig måling af hvor støjende den kvantetilstand er blevet, og hvad dette har gjort med de nyttige dimensioner, er afgørende.