High fidelity rumlig mode kvanteporte aktiveret af diffraktive neurale netværk

Pålidelige kvanteporte er den grundlæggende komponent i kvanteinformationsbehandling. Det er dog stadig en stor udfordring at opnå højdimensionelle enhedstransformationer på en skalerbar og kompakt måde med ultrahigh fidelities.

For at løse dette problem fremviser videnskabsmænd i Kina brugen af ​​dybe diffraktive neurale netværk (D ² NN'er) for at konstruere en række højdimensionelle kvanteporte, som er kodet af fotonernes rumlige tilstande. Dette værk, udgivet i Light:Science &Applications , tilbyder et nyt paradigme for quantum gate design ved hjælp af deep learning.

Quantum computing har løftet om at transformere vores informationsbehandlingsmetoder, og i sin kerne spiller pålidelige kvantelogiske porte en væsentlig rolle i kvanteinformationsbehandling.

Mens forskellige typer kvanteporte er blevet demonstreret, er fotoniske kvanteporte naturligt kompatible med kvantekommunikation og har tiltrukket sig betydelig interesse inden for kvanteinformation.

Den iboende uendelighed af ortogonale baser i fotonernes rumlige tilstande tilbyder et omfattende kodningsalfabet, der tilskynder til kreativitet i højdimensionel kvanteinformationsbehandling. At opnå højdimensionelle enhedstransformationer på en nøjagtig, skalerbar og kompakt måde med ultrahigh fidelities er dog stadig en betydelig udfordring.

Et team af videnskabsmænd, ledet af professor Jian Wang fra Wuhan National Laboratory for Optoelectronics og School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Kina, Optics Valley Laboratory, Kina, og kolleger har demonstreret brugen af ​​dyb diffraktiv neurale netværk (D ² NN'er) for at konstruere en række højdimensionelle kvanteporte, som er kodet af fotonernes rumlige tilstande.

De implementerede alle tredimensionelle X-porte og Hadamard-porte kodet af tre Laguerre-Gaussiske tilstande. Portene udviser ultrahigh fidelities op til 99,4(3)%, som karakteriseret ved kvanteprocestomografi. De anvender også en unik kodningsmetode til at kode to informationsbits ved at bruge fire orbital angular momentum (OAM)-tilstande af en enkelt foton.

Med denne metode opnåede de udvekslingen af ​​OAM's bølge-front rotationsretning (modens tegn) i henhold til deres mode ordrer. Den rekonstruerede procesmatrix af denne kontrollerede-NOT-gate har en fidelity på 99,6(2) %, og denne high-fidelity-gate muliggør pålidelige kvanteberegninger.

De demonstrerede også anvendeligheden af ​​denne tilgang ved succesfuldt at implementere Deutsch-algoritmen, som involverer at udføre hele 2-qubit kvantekredsløbet baseret på deres eksperimentelle konfiguration. Denne demonstration validerer potentialet ved at udføre komplekse operationer eller endda kvantekredsløb.

De eksperimentelle demonstrationer af alle tidligere nævnte porte viser fordelene ved lille fodaftryk, stor skalerbarhed og robusthed til forskellige modebaser. Baseret på den rekonfigurerbare fasemodulationsenhed er denne implementering desuden befordrende for intelligent implementering, som viser ekstraordinært potentiale i at udføre automatiske protokoller for at realisere ønskede operationer eller for at optimere den eksperimentelle ydeevne.

For at give retningslinjer for eksperimenter analyserede de forholdet mellem quantum gate performance og forskellige parametre, herunder tab og karakteristika for den rumlige lysmodulator. Derudover udførte de en sammenlignende analyse af D ² NN gates ydeevne i forhold til den traditionelle bølgefront-tilpasningstilgang, hvilket fører til den konklusion, at vores tilgang forbedrer synlighed markant til en lille pris for energitab.

Flere oplysninger: Qianke Wang et al., Ultrahigh-fidelity rumlig tilstand kvanteporte i højdimensionelle rum af diffraktive dybe neurale netværk, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01336-7

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af TranSpread