Undersøgelse fremhæver muligheden for at bygge bølgeformtolerante qubit-porte

Kvantecomputere, maskiner, der udnytter kvantetilstande til at udføre beregninger og gemme data, kan snart revolutionere computerindustrien og opnå væsentligt større hastigheder og ydeevne end eksisterende computere. Mens utallige virksomheder verden over, inklusive Google og IBM samt mindre start-ups, er begyndt at arbejde på kvanteteknologier, er den nøjagtige arkitektur, der vil føre til deres masseproduktion, stadig uklar.

Forskere ved Leibniz University Hannover har for nylig gennemført en teoretisk undersøgelse, der undersøger muligheden for at realisere flyvende qubit-porte til kvantecomputere, der er ufølsomme over for fotonernes bølgeformer, og som også fuldt ud bevarer disse former under behandling. Deres papir, udgivet i Physical Review Letters , kunne tjene som grundlag for udviklingen af ​​nye porte, der kan behandle sammenfiltrede fotoniske bølgepakker mere effektivt end ikke-sammenfiltrede.

"Der er flere kandidatarkitekturer til udvikling af kvanteteknologi, herunder superledere, ionfælder, solid state, optisk og så videre," fortalte Ihar Babushkin, en af ​​forskerne, der har udført undersøgelsen, til Phys.org. "Uanset hvilken arkitektur vi betragter, vil fotoner, lysets kvanta, spille en vigtig rolle, da mediatorerne mellem kvanteinformationsbits (qubits) i næsten alle arkitekturer er fotoner."

Optiske kvantecomputere bliver her adskilt, da fotonerne ikke kun medierer interaktion mellem qubits; de er også selv qubits. Da fotonerne ikke påvirkes af dekohærens (dvs. en proces, hvorigennem miljøet interagerer med qubits og ændrer deres kvantetilstande, hvilket forårsager tab af information, de lagrer), er de ideelle til sikker transport af kvanteinformation.

"For fotoner er dekohærens ikke et problem, fordi fotoner ikke interagerer med fotoner og næsten ikke interagerer med stof," forklarede Babushkin. "Dette bliver dog et problem, så snart vi ønsker at manipulere fotoner:Manglen på interaktion gør det vanskeligt at manipulere fotoner og gør det derfor svært at udføre kvanteberegninger. På trods af dette fortsætter hold verden over med at udføre forskning i denne retning, fordi fotoniske informationsbehandling er ekstremt attraktiv, hvis den kan realiseres, da den kan udføres ved stuetemperatur."

En eksisterende tilgang til fotonisk informationsbehandling er kendt som "målingsbaseret beregning." Denne tilgang kræver kun lineære elementer, såsom stråledelere og måling af hjælpefotoner.

En alternativ metode er kohærent fotonkonvertering (CPC). Dette er en teknik, der forstærker ikke-lineære optiske interaktioner, processer, hvorigennem fire bølger blandes mellem fotoner, ved hjælp af en ekstra kraftig laserstråle.

På trods af deres forskelle deler disse to forskellige tilgange en fælles begrænsning. Specifikt kræver de begge, som man hidtil har troet, inputfotoner, der er "identiske" (dvs. ikke kan skelnes og ikke korreleres med hinanden i tid og rum).

"Dette krav er nødvendigt, fordi fotoner ellers bliver skelnelige og bryder deres kvanteinterferens," sagde Babushkin. "Dette er en alvorlig begrænsning, da det kræver, at alle fotoner produceres med fuldstændig uafhængige, men identiske fotonkilder. At producere mange identiske fotoner er ikke en nem opgave."

I deres papir viste Babushkin og hans kolleger, at dette kunne opnås ved hjælp af en variant af CPC-metoden. Mere specifikt demonstrerede de teoretisk, at CPC kunne bruges til at realisere flyvende qubit-porte, der fungerer lige så godt for korrelerede, ikke-identiske, skelnelige fotoner, og bevarer deres rumlige og tidsmæssige fotoniske egenskaber under drift. For at gøre dette brugte de en variant af en CPC-tilgang foreslået af et team på Macquarie University og Imperial College.

"I denne tilgang udbreder både de interagerende fotoner og den stærke laserpumpe sig med forskellige hastigheder og mødes på et tidspunkt," sagde Babushkin. "Vi viste, at i dette tilfælde optræder fotoninteraktionen i form af en skarp interaktionsfront, som kan være så lille som hundredvis af attosekunder i tid (et attosekund er 10 ^-18 sekund) og få nanometer i rummet. Størrelsen af ​​denne front bestemmes af den maksimale hastighed, hvormed atomer kan reagere på den optiske excitation."

Babushkin og hans kolleger viste, at ved at bruge deres tilgang, så snart bølgeformen (dvs. pulsformen) af de interagerende fotoner er meget større end attosekundskalaen, hvilket altid er tilfældet for optiske frekvenser, er de separate stykker af de fotoniske bølgeformer behandles selvstændigt. Som et resultat forbliver bølgeformen af ​​fotonerne i systemet uberørt.

"Vi tror, ​​at vores vigtigste præstation er, at vi viste, at det er muligt at skabe porte, der fungerer på en bølgeformsuafhængig, bølgeformstolerant måde," sagde Babushkin. "En sådan mulighed var ikke indlysende, modsat troede man, at sådanne porte var umulige."

I fremtiden kan hypotesen introduceret af dette team af forskere blive eksperimentelt testet i laboratoriet for at bekræfte, om deres teoretiske forudsigelser er sande. Hvis de er det, kan deres arbejde bane vejen for udviklingen af ​​bedre ydende fotoniske informationsbehandlingssystemer.

"Som næste trin i vores forskning vil vi forsøge eksperimentelt at realisere de teoretiske forestillinger, vi introducerede," tilføjede Babushkin. "Hvis det lykkes, vil vi udvide vores single-gate-resultat til hele rammen, hvori alle beregninger er lavet på den bølgeformstolerante måde. I en længere fremtid kan dette føre til lettere realisering af rent fotoniske kvantecomputere." + Udforsk yderligere

Skræddersyede enkeltfotoner:Optisk kontrol af fotoner som nøglen til nye teknologier

© 2022 Science X Network