Sommige machtige heersers van de wereld dromen misschien van de mogelijkheid om in contact te komen met hun collega's op verschillende continenten, onopgemerkt door vrienden of vijanden. op een dag, nieuwe kwantumtechnologieën zouden het mogelijk kunnen maken om deze wensen in vervulling te laten gaan. Natuurkundigen over de hele wereld werken aan de realisatie van grootschalige kwantumnetwerken waarin enkelvoudige lichtkwanta (geheime) kwantuminformatie overdragen aan stationaire knooppunten op grote afstand. De fundamentele bouwstenen van dergelijke kwantumnetwerken zijn:bijvoorbeeld, kwantumrepeaters die het verlies van kwantuminformatie over grote afstanden tegengaan, of kwantumlogische poorten die nodig zijn voor het verwerken van kwantuminformatie.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers rond professor Gerhard Rempe, directeur van het Max Planck Institute of Quantum Optics en hoofd van de Quantum Dynamics Division, heeft de haalbaarheid aangetoond van een nieuw concept voor een kwantumpoort ( Fys. Rev. X 8, 011018, 6 februari 2018). Hier, fotonen die op een optische holte vallen, bemiddelen een interactie tussen twee atomen die erin zijn opgesloten. Deze interactie is de basis voor het uitvoeren van karakteristieke poortoperaties tussen de atomen, bijvoorbeeld de werking als CNOT-poort of het genereren van verstrengeling. De nieuwe methode biedt verschillende voordelen:bijvoorbeeld de poortoperaties vinden plaats binnen microseconden, wat een aanwinst is voor de verwerking van kwantuminformatie. Ook, het poortmechanisme kan worden toegepast op andere experimentele platforms, en de poort met twee atomen kan dienen als bouwsteen in een kwantumrepeater.

Kernelement van het experiment (zie figuur 1) is een asymmetrische optische resonator met hoge finesse, bestaande uit een spiegel met hoge reflectie (links) en een spiegel met een eindige transmissie (rechts). Twee elektrisch neutrale rubidium-atomen zitten gevangen in het midden van de holte. Elk atoom draagt ​​een qubit, dat wil zeggen kwantuminformatie die is gecodeerd in de superpositie van twee stabiele grondtoestanden die overeenkomen met de klassieke bits "0" en "1". "Een van de grondtoestanden is in resonantie met het lichtveld van de holte. atomen en holte vormen een sterk gekoppeld systeem, " Stephan Welte legt uit, die aan het experiment werkt voor zijn proefschrift. "Daarom kunnen de atomen met elkaar praten. Dit proces kan niet plaatsvinden in de vrije ruimte."

Om de poort uit te voeren, enkele fotonen worden naar de semi-transparante spiegel gestuurd. Vervolgens, afhankelijk van de begintoestand van de atomen, verschillende scenario's zijn mogelijk. "Als beide atomen in de niet-gekoppelde toestand zijn, kan het foton de holte binnendringen, en er ontstaat een staande lichtgolf tussen de twee spiegels, " zegt Bastian Hacker, een andere promovendus op het experiment. "De atomen kunnen via dit lichtveld communiceren:als het aanwezig is, de fase van de opgeslagen qubits wordt 180 graden gedraaid." In alle andere gevallen, als een of beide atomen in resonantie zijn met de holtemodi, het foton wordt geblokkeerd uit de holte, en de toestand van de atomen krijgt geen faseverschuiving.

Deze effecten worden gebruikt om elementaire wiskundige bewerkingen (quantumpoorten) tussen de twee atomen uit te voeren, zoals het Garching-team demonstreert met twee karakteristieke poortoperaties. Aan de ene kant, de wetenschappers laten zien dat hun experimentele opstelling kan werken als een typische C(ontrolled)NOT-poort:hier bepaalt de invoerstatus van de (controle)qubit of de status van de ander (doelwit) wordt gewijzigd of niet. Om deze functionaliteit te demonstreren, de poortbewerking wordt uitgevoerd op een set van vier orthogonale ingangstoestanden, en in elk geval wordt de resulterende uitgangstoestand bepaald. Uit deze metingen wordt een tabel afgeleid die lijkt op een klassieke XOR-poort.

Anderzijds, in een andere reeks metingen bewijzen de wetenschappers de creatie van kwantumverstrengelde uitgangstoestanden van twee aanvankelijk onafhankelijke atomen. "Hiervoor, de atomen worden voorbereid in een coherente superpositie van beide grondtoestanden, Stephan Welte merkt op. "Daarom, beide gevallen - dat het foton de holte binnengaat en dat het wordt afgewezen - zijn kwantummechanisch gesuperponeerd, en de poortoperatie leidt tot de verstrengeling van de atomen."

"Het mechanisme achter de poortbediening is heel eenvoudig en elegant omdat het maar één fysieke stap omvat. In tegenstelling tot andere poortmechanismen maakt de afstand tussen de qubits - in ons geval 2 tot 12 micrometer - helemaal niet uit, Bastian Hacker benadrukt. "Ook, onze poort is niet afhankelijk van het specifieke platform van rubidium-atomen. Het zou evengoed kunnen worden toegepast op veel andere soorten atomen, ionen of, bijvoorbeeld, vaste stof kwantumstippen die kwantuminformatie dragen." Professor Gerhard Rempe voorziet zelfs verdere uitbreidingen van het systeem. "We overwegen meerdere atomen te plaatsen, in plaats van slechts twee, in de holte. Ons poortmechanisme zou op veel van hen tegelijkertijd kunnen werken." In een grootschalig kwantumnetwerk, multi-qubit-knooppunten kunnen dienen als kleine kwantumcomputers die basisberekeningen uitvoeren en hun resultaten naar andere knooppunten sturen.