Fotoner, der får kvantebits til at flyve til stabil udveksling af information i kvantecomputere

To fysikere ved universitetet i Konstanz er ved at udvikle en metode, der kan muliggøre en stabil udveksling af information i kvantecomputere. I hovedrollen:fotoner, der får kvantebits til at "flyve."

Kvantecomputere betragtes som det næste store evolutionære skridt inden for informationsteknologi. De forventes at løse computerproblemer, som nutidens computere simpelthen ikke kan løse - eller ville tage evigheder at gøre. Forskergrupper verden over arbejder på at gøre kvantecomputeren til en realitet. Dette er alt andet end nemt, fordi de grundlæggende komponenter i sådan en computer, kvantebittene eller qubits, er ekstremt skrøbelige.

En type qubit består af det iboende vinkelmomentum (spin) af en enkelt elektron, dvs. de er på skalaen af ​​et atom. Det er svært nok at holde et så skrøbeligt system intakt. Det er endnu sværere at sammenkoble to eller flere af disse qubits. Så hvordan kan en stabil udveksling af information mellem qubits opnås?

Flyvende qubits

De to Konstanz-fysikere Benedikt Tissot og Guido Burkard har nu udviklet en teoretisk model for, hvordan informationsudvekslingen mellem qubits kunne lykkes ved at bruge fotoner som transportmiddel til kvanteinformation. Den generelle idé er, at informationsindholdet (elektronspintilstand) af materialets qubit omdannes til en "flyvende qubit", nemlig en foton. Fotoner er lyskvanter, der udgør de grundlæggende byggesten, der udgør det elektromagnetiske strålingsfelt.

Det særlige ved den nye model er stimulerede Raman-emissioner, der bruges til at konvertere qubit til en foton. Denne procedure giver mere kontrol over fotonerne. "Vi foreslår et paradigmeskift fra at optimere kontrollen under genereringen af ​​fotonen til direkte at optimere den tidsmæssige form af lysimpulsen i den flyvende qubit," forklarer Burkard.

Tissot sammenligner den grundlæggende procedure med internettet:"I en klassisk computer har vi vores bits, som er kodet på en chip i form af elektroner. Hvis vi ønsker at sende information over lange afstande, konverteres bitsens informationsindhold. ind i et lyssignal, der transmitteres gennem optiske fibre."

Princippet om informationsudveksling mellem qubits i en kvantecomputer ligner meget:"Også her skal vi konvertere informationen til tilstande, der let kan transmitteres - og fotoner er ideelle til dette," forklarer Tissot.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Physical Review Research .

Et tre-niveau system til styring af fotonen

"Vi skal overveje flere aspekter," siger Tissot. "Vi ønsker at kontrollere den retning, som informationen flyder i – samt hvornår, hvor hurtigt og hvor den flyder hen. Derfor har vi brug for et system, der giver mulighed for et højt kontrolniveau."

Forskernes metode gør denne kontrol mulig ved hjælp af resonatorforstærkede, stimulerede Raman-emissioner. Bag dette udtryk er et tre-niveau system, som fører til en flertrins procedure. Disse stadier giver fysikerne kontrol over den foton, der er skabt. "Vi har 'flere knapper' her, som vi kan betjene for at styre fotonen," siger Tissot.

Stimuleret Raman-emission er en etableret metode i fysik. Det er dog usædvanligt at bruge dem til at sende qubit-tilstande direkte. Den nye metode gør det måske muligt at balancere konsekvenserne af miljøforstyrrelser og uønskede bivirkninger af hurtige ændringer i lysimpulsens tidsmæssige form, så informationstransport kan implementeres mere præcist.

Flere oplysninger: Benedikt Tissot et al., Efficient high-fidelity flying qubit shaping, Physical Review Research (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013150

Leveret af University of Konstanz