Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een nieuw niveau van controle aangetoond over fotonen die zijn gecodeerd met kwantuminformatie. Hun onderzoek is gepubliceerd in optiek .

Joseph Lukens, Brian Williams, Nicolaas Pieters, en Pavel Lougovski, onderzoekswetenschappers met ORNL's Quantum Information Science Group, onderscheiden, onafhankelijke bewerkingen tegelijkertijd op twee qubits gecodeerd op fotonen van verschillende frequenties, een belangrijke vaardigheid in lineaire optische kwantumcomputers. Qubits zijn de kleinste eenheid van kwantuminformatie.

Kwantumwetenschappers die met frequentiegecodeerde qubits werken, hebben een enkele bewerking op twee qubits parallel kunnen uitvoeren. maar dat schiet tekort voor quantum computing.

"Om universele kwantumcomputers te realiseren, je moet verschillende bewerkingen op verschillende qubits tegelijkertijd kunnen uitvoeren, en dat is wat we hier hebben gedaan, ' zei Lougovski.

Volgens Lougovski, het experimentele systeem van het team - twee verstrengelde fotonen in een enkele glasvezelkabel - is de "kleinste kwantumcomputer die je je kunt voorstellen. Dit artikel markeert de eerste demonstratie van onze frequentiegebaseerde benadering van universele kwantumcomputers."

"Veel onderzoekers hebben het over kwantuminformatieverwerking met fotonen, en zelfs frequentie gebruiken, " zei Lukens. "Maar niemand had eraan gedacht om meerdere fotonen door dezelfde glasvezelstreng te sturen, in dezelfde ruimte, en er anders mee om te gaan."

Met de kwantumfrequentieprocessor van het team konden ze de frequentie van fotonen manipuleren om superpositie tot stand te brengen, een staat die kwantumbewerkingen en computergebruik mogelijk maakt.

In tegenstelling tot databits die zijn gecodeerd voor klassiek computergebruik, gesuperponeerde qubits gecodeerd in de frequentie van een foton hebben een waarde van 0 en 1, in plaats van 0 of 1. Dankzij deze mogelijkheid kunnen kwantumcomputers gelijktijdig bewerkingen uitvoeren op grotere datasets dan de huidige supercomputers.

Met behulp van hun processor, de onderzoekers toonden 97 procent interferentiezichtbaarheid aan - een maatstaf voor hoe gelijk twee fotonen zijn - vergeleken met de 70 procent zichtbaarheidsgraad die in vergelijkbaar onderzoek werd geretourneerd. Hun resultaat gaf aan dat de kwantumtoestanden van de fotonen vrijwel identiek waren.

De onderzoekers pasten ook een statistische methode toe die verband houdt met machine learning om te bewijzen dat de operaties met zeer hoge betrouwbaarheid en op een volledig gecontroleerde manier werden uitgevoerd.

"We waren in staat om meer informatie over de kwantumtoestand van ons experimentele systeem te extraheren met behulp van Bayesiaanse gevolgtrekking dan wanneer we meer algemene statistische methoden hadden gebruikt, ' zei Willems.

"Dit werk is de eerste keer dat het proces van ons team een ​​echt kwantumresultaat heeft opgeleverd."

Williams wees erop dat hun experimentele opstelling stabiliteit en controle biedt. "Als de fotonen verschillende paden in de apparatuur nemen, ze ervaren verschillende faseveranderingen, en dat leidt tot instabiliteit, "zei hij. "Als ze door hetzelfde apparaat reizen, in dit geval, de glasvezelstreng, je hebt betere controle."

Stabiliteit en controle maken kwantumbewerkingen mogelijk die informatie behouden, de verwerkingstijd van informatie verminderen, en de energie-efficiëntie te verbeteren. De onderzoekers vergeleken hun lopende projecten, begonnen in 2016, tot bouwstenen die aan elkaar gaan koppelen om grootschalige quantum computing mogelijk te maken.

"Er zijn stappen die u moet nemen voordat u de volgende neemt, ingewikkelder stap, "Zei Peters. "Onze eerdere projecten waren gericht op het ontwikkelen van fundamentele capaciteiten en stellen ons in staat om nu in het volledige kwantumdomein te werken met volledig kwantuminvoerstatussen."

Lukens zei dat de resultaten van het team aantonen dat "we de kwantumtoestanden van qubits kunnen controleren, hun correlaties veranderen, en ze aanpassen met behulp van standaard telecommunicatietechnologie op manieren die van toepassing zijn op het bevorderen van kwantumcomputing."

Zodra de bouwstenen van kwantumcomputers allemaal op hun plaats zijn, hij voegde toe, "we kunnen beginnen met het verbinden van kwantumapparaten om het kwantuminternet te bouwen, wat is de volgende, spannende stap."

Net zoals informatie van supercomputer tot supercomputer anders wordt verwerkt, een weerspiegeling van verschillende ontwikkelaars en workflowprioriteiten, kwantumapparaten zullen werken met verschillende frequenties. Dit maakt het een uitdaging om ze met elkaar te verbinden, zodat ze kunnen samenwerken zoals de computers van tegenwoordig op internet communiceren.

Dit werk is een uitbreiding van de eerdere demonstraties van het team van kwantuminformatieverwerkingsmogelijkheden op standaard telecommunicatietechnologie. Verder, ze zeiden, gebruik maken van bestaande glasvezelnetwerkinfrastructuur voor kwantumcomputing is praktisch:er zijn miljarden dollars geïnvesteerd, en kwantuminformatieverwerking vertegenwoordigt een nieuw gebruik.

De onderzoekers zeiden dat dit "volledige cirkel" aspect van hun werk zeer bevredigend is. "We zijn ons onderzoek samen begonnen om het gebruik van standaard telecommunicatietechnologie voor kwantuminformatieverwerking te onderzoeken, en we hebben ontdekt dat we terug kunnen gaan naar het klassieke domein en het kunnen verbeteren, ' zei Lukens.