Forskere skaber komplekse kvantegraftilstande med fotoner

Sammenfiltringen af ​​kvantesystemer er grundlaget for alle kvanteinformationsteknologier. Komplekse former for sammenfiltring mellem flere kvantebits er særligt interessante.

Dette resulterer dog ikke kun i massiv computerkraft, men også rene eksplosioner af formler, når de beskrives matematisk. Den abstrakte grafiske repræsentation af disse komplekse tilstande i form af "stjerner", "ringe" eller "træer" for eksempel tilbyder en elegant forenkling.

Olivier Morins team i afdelingen for Gerhard Rempe, direktør ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, er nu for første gang lykkedes med at skabe en ringformet og en træformet graftilstand i et eksperiment. Dette er et stort gennembrud for udviklingen af ​​kvantecomputere eller kvanteinternettet.

I et fremtidigt kvanteinternet, som Rempe længe har forsket i som en pioner, kunne lyskvanter derved blive viklet ind og danne et kvantebudskab, der er meget mere stabilt over for tab. Værket er udgivet i Nature .

Begrebet sammenfiltring danner grundlaget for alle kvanteinformationsteknologier, der forskes i og udvikles, uanset om det er kvantecomputere eller kvanteinternettet. Par af kvantebits, eller kort sagt qubits, som er viklet ind i hinanden, tjener som grundelementet.

Du kan forestille dig sådan et par som to LED-lys forbundet med hinanden via et kabel. Ved at sætte flere og flere af dem sammen, kan der dannes længere kæder af lys. Lysene repræsenterer qubits, kabelstykkerne sammenfiltringen mellem dem. Dette gør det muligt at skabe ikke kun kæder, men også ringe, stjerner eller træformede strukturer.

Men ved at tegne et billede, der ligner julepynt i denne analogi, kan det også være yderst interessant for kvanteinformationsbehandling, nu tilbage i form af sammenfiltrede qubits. "Med en stigeformet konfiguration af sammenfiltrede qubits kan der for eksempel bygges en universel kvantecomputer," forklarer Gerhard Rempe.

Hans forskningsinteresse ligger i kvanteinternettet, hvor kvanteinformation, pakket i sammenfiltrede fotoner som "flyvende qubits", sendes via fiberoptiske netværk. Den største udfordring her er tabet af fotoner, som øges eksponentielt med længden af ​​transmissionen.

Som modgift ville det for eksempel være smart at overlejre en træformet sammenfiltring på en strøm af fotoner, der flyver efter hinanden. "Du kunne skrive kvanteinformation ind i det overflødigt," forklarer Rempe, "og selvom kun halvdelen af ​​fotonerne ankom til modtageren, kunne den stadig genskabe denne information."

Elegant grafnotation for komplekse sammenfiltringer

Set udefra ville strømmen af ​​fotoner altid ligne en perlerække, ifølge fysikeren, uanset formen på fotonernes grafiske kvantetilstand. Den grafiske repræsentation som en stjerne, træ eller ring er placeret i et abstrakt matematisk rum.

Matematisk fysik udviklede det for mange år siden for at løse et problem:Jo mere qubits er viklet ind i hinanden, især i krydsforbindelser, jo mere gigantiske bliver de kvantemekaniske formler, som man bliver nødt til at skrive ned.

Dette er i det væsentlige den samme eksponentielle eksplosion, der producerer kvantebits regnekraft. Den grafiske repræsentation er på den anden side dejlig enkel:noder symboliserer kvantebittene, linjer mellem dem sammenfiltringen.

Ekstremt svært at realisere eksperimentelt

Hvad der fremstår vidunderligt elegant og enkelt i teorien, er dog ekstremt svært at realisere i eksperimentet. "I 2007 forestillede vi os først, at vi kunne producere kvantemekaniske graftilstande ved hjælp af vores eksperimentelle teknikker," siger Rempe.

Fysikprofessoren har brugt årtier på at perfektionere en proces, hvor individuelle atomer er fanget mellem to stærkt reflekterende spejle. Disse optiske hulrum kan bruges til at tackle forskellige grundlæggende spørgsmål i fysik, såsom hvordan lys interagerer med stof. Sådan et hulrum virker på atomet som to spejle, hvorimellem man kan placere sig selv, idet man ser sig selv en zillion gange som en refleksion i en refleksion og så videre.

Når først et atom lyser op, dvs. udsender en foton, "ser" det hundredtusindvis af oplyste atomer, spejlbilleder af sig selv. Dette tvinger atomet til at udsende fotonen nøjagtigt i retning af spejlaksen. Det ene af de to spejle er bare en smule permeabelt, som det er i en laser, og så kan fotonen undslippe "spejlhallen" og blive registreret af en detektor.

Det er kun gennem dette trick, at forskerne ved, hvor de skal lede efter den lille foton og dermed kan placere detektoren korrekt. Atomet selv, der svæver i et lysfelt, kan manipuleres gennem de åbne ender af hulrummet ved hjælp af lasere og højpræcisionsoptik.

Fysisk separate qubits fusioneres til en enkelt logisk qubit

I 2007 lykkedes det en ph.d.-studerende for første gang at få et atom til at udsende to sammenfiltrede fotoner på denne måde. Dette var den første gnist for Rempe. I 2022 opnåede Olivier Morins gruppe i Rempes afdeling 12 kædeformede og 14 stjerneformede sammenfiltrede fotoner – en verdensrekord.

Men matematisk set var disse kun endimensionelle graftilstande, inklusive "stjernen". For at nå frem til ringe eller træer var der brug for en anden dimension, et "område" i det abstrakte rum af graftilstande.

Holdet fangede to rubidium-87 atomer i det optiske hulrum og forberedte en endimensionel graftilstand med begge atomer, hvor atomet er viklet ind i mange fotoner. Gennem en fælles måling på begge atomer bliver de to fysisk adskilte atomare qubits derefter "fusioneret" til en enkelt "logisk" qubit. Dette genererer derefter en todimensionel graftilstand.

På denne måde har det været muligt at fusionere simple fotonkæder til en træformet graftilstand, for eksempel, og dermed generere komplekse sammenfiltringsmønstre, der egner sig til sofistikerede applikationer.

"Konsekvenserne er gigantiske," siger Rempe om dette gennembrud efter et næsten årti langt videnskabeligt maraton. "Et helt nyt forskningsfællesskab er i øjeblikket ved at dannes omkring emnet."

Flere oplysninger: Philip Thomas et al., Fusion af deterministisk genererede fotoniske graftilstande, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07357-5

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Max Planck Society