Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een manier aangetoond om grootschalige fotonische kwantumcorrelatie in kaart te brengen en te meten met gevoeligheid voor één foton. Het vermogen om duizenden gevallen van kwantumcorrelatie te meten is van cruciaal belang om op fotonen gebaseerde kwantumcomputers praktisch te maken.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, een multi-institutionele groep onderzoekers rapporteert over de nieuwe meettechniek, die correlatie wordt genoemd op ruimtelijk in kaart gebracht fotonniveau-beeld (COSPLI). Ze ontwikkelden ook een manier om signalen van enkele fotonen en hun correlaties in tientallen miljoenen afbeeldingen te detecteren.

"COSPLI heeft het potentieel om een ​​veelzijdige oplossing te worden voor het uitvoeren van kwantumdeeltjesmetingen in grootschalige fotonische kwantumcomputers, " zei de onderzoeksteamleider Xian-Min Jin, van de Shanghai Jiao Tong-universiteit, China. "Deze unieke benadering zou ook nuttig zijn voor kwantumsimulatie, kwantumcommunicatie, kwantumdetectie en biomedische beeldvorming met één foton."

Interagerende fotonen

Quantum computing-technologie belooft aanzienlijk sneller te zijn dan traditionele computing, die gegevens leest en schrijft die zijn gecodeerd als bits die ofwel een nul of een zijn. In plaats van stukjes, kwantumcomputing maakt gebruik van qubits die zich in twee toestanden tegelijkertijd kunnen bevinden en zullen interageren, of correleren, met elkaar. Deze qubits, wat een elektron of foton kan zijn, waardoor veel processen tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd.

Een belangrijke uitdaging bij de ontwikkeling van kwantumcomputers is het vinden van een manier om de duizenden qubits te meten en te manipuleren die nodig zijn om extreem grote datasets te verwerken. Voor op fotonen gebaseerde methoden, het aantal qubits kan worden verhoogd zonder meer fotonen te gebruiken door het aantal modi te vergroten dat is gecodeerd in fotonische vrijheidsgraden, zoals polarisatie, frequentie, tijd en locatie - gemeten voor elk foton. Hierdoor kan elk foton meer dan twee modi vertonen, of staten, tegelijkertijd. De onderzoekers gebruikten deze aanpak eerder om 's werelds grootste fotonische kwantumchips te fabriceren, die een toestandsruimte zou kunnen hebben die gelijk is aan duizenden qubits.

Echter, om de nieuwe fotonische kwantumchips in een kwantumcomputer te integreren, moeten alle modi en hun fotonische correlaties op een enkel fotonniveau worden gemeten. Tot nu, de enige manier om dit te bereiken zou zijn om één enkele fotondetector te gebruiken voor elke modus die door elk foton wordt vertoond. Hiervoor zouden duizenden enkelvoudige fotondetectoren nodig zijn en ongeveer 12 miljoen dollar kosten voor een enkele computer.

"Het is economisch onhaalbaar en technisch uitdagend om duizenden modi tegelijk aan te pakken met enkelvoudige fotondetectoren, " zei Jin. "Dit probleem vormt een beslissend knelpunt bij het realiseren van een grootschalige fotonische kwantumcomputer."

Gevoeligheid voor één foton

Hoewel commercieel verkrijgbare CCD-camera's gevoelig zijn voor enkelvoudige fotonen en veel goedkoper dan enkelvoudige fotondetectoren, de signalen van individuele fotonen worden vaak verdoezeld door grote hoeveelheden ruis. Na twee jaar werken, de onderzoekers ontwikkelden methoden om de ruis te onderdrukken, zodat afzonderlijke fotonen met elke pixel van een CCD-camera konden worden gedetecteerd.

De andere uitdaging was om de polarisatie van een enkel foton te bepalen, frequentie, tijd en locatie, die elk een andere meettechniek vereisen. Met COSPLI, de fotonische correlaties van andere modi worden allemaal in kaart gebracht op de ruimtelijke modus, waarmee correlaties van alle modi kunnen worden gemeten met de CCD-camera.

Om COSPLI te demonstreren, de onderzoekers gebruikten hun aanpak om de gezamenlijke spectra van gecorreleerde fotonen in tien miljoen beeldframes te meten. De gereconstrueerde spectra kwamen goed overeen met theoretische berekeningen, waarmee de betrouwbaarheid van de meet- en karteringsmethode wordt aangetoond, evenals de detectie van één foton. De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de beeldsnelheid van het systeem van tientallen naar miljoenen frames per seconde.

"We weten dat het erg moeilijk is om een ​​praktische kwantumcomputer te bouwen, en het is nog niet duidelijk welke implementatie het beste zal zijn, "zei Jin. "Dit werk geeft vertrouwen dat een kwantumcomputer op basis van fotonen een praktische weg vooruit kan zijn."