Een team van onderzoekers onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een nieuwe methode gedemonstreerd voor het splitsen van lichtstralen in hun frequentiemodi. De wetenschappers kunnen dan de frequenties kiezen waarmee ze willen werken en fotonen coderen met kwantuminformatie. Hun werk zou vooruitgang kunnen stimuleren in de verwerking van kwantuminformatie en gedistribueerde kwantumcomputing.

De bevindingen van het team werden gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

De frequentie van het licht bepaalt de kleur. Als de frequenties gescheiden zijn, als in een regenboog, elk kleurenfoton kan worden gecodeerd met kwantuminformatie, geleverd in eenheden die bekend staan ​​als qubits. Qubits zijn analoog aan, maar verschillend van klassieke bits, die een waarde van 0 of 1 hebben omdat qubits tegelijkertijd worden gecodeerd met waarden van zowel 0 als 1.

De onderzoekers vergelijken de verwerking van kwantuminformatie met het betreden van een gang en beide kanten op kunnen gaan. terwijl bij klassieke informatica slechts één pad mogelijk is.

De nieuwe aanpak van het team - met de eerste demonstratie van een frequentietritter, een instrument dat licht opsplitst in drie frequenties - gaf experimentele resultaten die overeenkwamen met hun voorspellingen en toonde aan dat veel bewerkingen voor het verwerken van kwantuminformatie tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd zonder de fout te vergroten. Het kwantumsysteem presteerde zoals verwacht onder steeds complexere omstandigheden zonder de gecodeerde informatie te verslechteren.

"Onder onze experimentele omstandigheden, we kregen een factor 10 beter dan de typische foutenpercentages, " zei Nicolaas Peters, Quantum Communications teamleider voor ORNL's Quantum Information Science Group. "Dit bevestigt onze methode als een voorloper voor hoogdimensionale frequentiegebaseerde kwantuminformatieverwerking."

Fotonen kunnen kwantuminformatie in superposities vervoeren - waarbij fotonen tegelijkertijd meerdere bitwaarden hebben - en de aanwezigheid van twee kwantumsystemen in superpositie kan leiden tot verstrengeling, een belangrijke bron in kwantumcomputing.

Verstrengeling verhoogt het aantal berekeningen dat een kwantumcomputer kan uitvoeren, en de focus van het team op het creëren van complexere frequentietoestanden is bedoeld om kwantumsimulaties krachtiger en efficiënter te maken. De methode van de onderzoekers is ook opmerkelijk omdat het de Hadamard-poort aantoont, een van de elementaire circuits die nodig zijn voor universele kwantumcomputers.

"We waren in staat om direct extreem high-fidelity resultaten te demonstreren, wat zeer indrukwekkend is voor de optische benadering, " zei Pavel Lougovski, hoofdonderzoeker van het project. "We zijn hier bij ORNL een subveld aan het uitsnijden met ons op frequenties gebaseerde coderingswerk."

De methode maakt gebruik van algemeen beschikbare telecommunicatietechnologie met kant-en-klare componenten en levert high-fidelity-resultaten op. Pogingen om kwantumrepeaters te ontwikkelen, die de afstand vergroten die kwantuminformatie kan worden verzonden tussen fysiek gescheiden computers, zal profiteren van dit werk.

"Het feit dat onze methode telecom netwerk-compatibel is, is een groot voordeel, "Zei Lougovski. "We kunnen indien nodig kwantumbewerkingen uitvoeren op telecomnetwerken."

Peters voegde eraan toe dat hun project aantoont dat ongebruikte glasvezelbandbreedte kan worden benut om de rekentijd te verminderen door bewerkingen parallel uit te voeren.

"Ons werk maakt gebruik van het belangrijkste voordeel van de frequentie - stabiliteit - om zeer hoge betrouwbaarheid te krijgen en vervolgens gecontroleerde frequentiesprongen te doen wanneer we dat willen, " zei Wigner-collega Joseph Lukens, die het ORNL-experiment leidde. De onderzoekers hebben experimenteel aangetoond dat kwantumsystemen kunnen worden getransformeerd om de gewenste output te leveren.

De onderzoekers suggereren dat hun methode kan worden gecombineerd met bestaande bundelsplitsende technologie, profiteren van de sterke punten van beide en de wetenschappelijke gemeenschap dichter bij het volledige gebruik van op frequentie gebaseerde fotonische kwantuminformatieverwerking brengen.

Pieters, Lougovski en Lukens, alle natuurkundigen bij ORNL's Quantum Information Science Group, werkte samen met afgestudeerde student Hsuan-Hao Lu, professor Andrew Weiner, en collega's aan de Purdue University. Het team publiceerde de theorie voor hun experimenten in optiek in januari 2017.