Kwantuminformatieprotocollen zijn gebaseerd op verschillende verstrengelingsmodi zoals Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) en andere clusterstaten. Voor on-demand voorbereiding, deze toestanden kunnen worden gerealiseerd met samengeknepen lichtbronnen in optica, maar dergelijke experimenten missen veelzijdigheid omdat ze een verscheidenheid aan optische circuits nodig hebben om individueel verschillende verstrengelingstoestanden te realiseren. In een recente studie, Shuntaro Takeda en collega's van de interdisciplinaire afdelingen van Applied Physics and Engineering in Japan hebben de tekortkoming aangepakt door een on-demand verstrengelingssynthesizer te ontwikkelen. Met behulp van de experimentele opstelling, de natuurkundigen genereerden programmeerbaar verstrengelde toestanden uit een enkele samengeperste lichtbron.

In productie, ze gebruikten een lus-gebaseerd circuit dat dynamisch wordt bestuurd op nanoseconden tijdschalen om optische pulsen in het tijdsdomein te verwerken. De wetenschappers genereerden en verifieerden vijf verschillende kleinschalige verstrengelde toestanden en een grote cluster met meer dan 1000 modi in een enkele opstelling zonder het optische circuit te veranderen. Het circuit ontwikkeld door Takeda et al. zou een deel van de gegenereerde verstrengelde toestanden kunnen opslaan en vrijgeven om als een kwantumgeheugen te functioneren. Het experimentele rapport gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , zal een nieuwe manier openen om on-demand algemene verstrengelingsynthesizers te bouwen met behulp van een schaalbare kwantumprocessor.

Verstrengeling is essentieel voor veel kwantuminformatieprotocollen in qubit- en continu variabele (CV) regio's, waar ze verschillende toepassingen uitvoeren. Bijvoorbeeld, de twee-mode Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) staat is de meest gebruikte, maximaal verstrengelde toestand als bouwsteen voor tweepartijenkwantumcommunicatie en voor kwantumlogica-poorten op basis van kwantumteleportatie. De gegeneraliseerde versie van deze toestand is een n-mode Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) toestand die centraal staat bij het bouwen van een kwantumnetwerk, waarbij de GHZ-kwantumtoestand kan worden gedeeld tussen n deelnemers. Bijvoorbeeld, de n deelnemers kunnen met elkaar communiceren voor het delen van kwantumgeheimen. Voor kwantumberekeningen daarentegen, een speciaal type verstrengeling, bekend als clustertoestanden, heeft veel aandacht getrokken als een universele hulpbron om eenrichtings kwantumberekening mogelijk te maken.

De meest handige en gevestigde methode die momenteel wordt gebruikt om fotonisch verstrengelde toestanden deterministisch voor te bereiden, is het mengen van geperst licht met behulp van bundelsplitsernetwerken om verstrengeling in het continu variabele (CV) regime te genereren. Natuurkundigen hebben onlangs grootschalige verstrengelde toestanden aangetoond door lichtbronnen samen te drukken die in het tijds- of frequentiedomein zijn gemultiplext. De methode was niet veelzijdig omdat ze een verscheidenheid aan optische opstellingen moesten ontwerpen om de specifieke verstrengelingstoestand te produceren. Natuurkundigen hadden eerder melding gemaakt van de programmeerbare karakterisering van verschillende soorten verstrengeling in multimode kwantumtoestanden met behulp van nabewerkingsmetingen of door de basis van de meting te veranderen. De directe synthese van verschillende verstrengelingstoestanden in een programmeerbare, deterministische manier binnen één raamwerk blijft op dit moment een uitdagende taak, daarom.

In het huidige werk, Takeda et al. stelde een on-demand fotonische synthesizer voor om programmeerbaar een belangrijke reeks verstrengelde toestanden te produceren om de bestaande uitdaging op te lossen door op te nemen:

1. Een EPR-status
2. Een n-mode GHZ-status, en
3. Een n-mode lineaire of stervormige clustertoestand voor n≥2, in een enkele opstelling.

Ze baseerden de synthesizer op een dynamische, regelbare fotonische schakeling die optische pulsen in het tijdsdomein verwerkt. Met behulp van de schakeling, de wetenschappers verifieerden de programmeerbare generatie van een verscheidenheid aan verstrengelde toestanden. De opstelling zou ook een deel van de gegenereerde verstrengelde toestand kunnen opslaan en vrijgeven om als een kwantumgeheugen te werken. De nieuwe methode biedt een veelbelovende route naar de verwerkbaarheid van fotonische kwantuminformatie, die schaalbaarheid en programmeerbaarheid omvat.

Bij het vormen van het concept van een verstrengelingssynthesizer, de wetenschappers gebruikten een enkele knijper om achtereenvolgens geperste optische pulsen in het onderzoek te produceren. Ze injecteerden de pulsen in een luscircuit waarvan de retourtijd (τ) gelijk was aan het tijdsinterval tussen de pulsen. Deze lus bevatte een bundelsplitser met variabele doorlaatbaarheid t (t) en een faseverschuiver met variabele faseverschuiving θ (t) - waarbij t staat voor tijd. Na het verzenden door de lus, de wetenschappers stuurden de pulsen naar een homodyne-detector met behulp van een afstembare meetbasis. Het circuit zou een verscheidenheid aan verstrengelde toestanden kunnen synthetiseren uit de samengeperste pulsen - voor latere analyse.

Om het genereren van programmeerbare verstrengeling te demonstreren, de wetenschappers programmeerden eerst de synthesizer om vijf verschillende kleinschalige verstrengelde toestanden te genereren. Deze omvatten een (1) EPR-status, (2) een GHZ met drie standen, (3) een clusterstatus met twee modi, en (4) een paar clustertoestanden met drie modi. Om de staat van verstrikking te controleren, de wetenschappers pasten tijdelijke modusfuncties toe op het homodyne-signaal (golffunctie omgezet in een elektrisch signaal) en extraheerden de kwadratuur van de breedband optische pulsen om de correlatie tussen verschillende pulsen te beoordelen.

Ze kwantificeerden de sterkte van de correlatie met behulp van onscheidbaarheidsparameters die direct verband hielden met het niveau van effectief knijpen. De wetenschappers waren in staat om resultaten te verkrijgen waarbij de waarden voldeden aan de onscheidbaarheidscriteria die in het onderzoek waren afgeleid, om de programmeerbare generatie van vijf verschillende verstrengelde toestanden te demonstreren. Ze legden de waarden uit met behulp van het geaccumuleerde verlies tijdens het genereren van geperst licht, verstrengelde synthese in de lus en tijdens metingen.

Hoe dan ook, de experimentele opstelling was niet in staat om meer dan drie-mode GHZ en clustertoestanden te synthetiseren vanwege ontwerpbeperkingen van de elektro-optische (EOM) modulator die de circuits aandreef. Als resultaat, de wetenschappers willen een geavanceerder stuurcircuit ontwikkelen of trapsgewijze meerdere EOM's bouwen om het aantal selecteerbare transmissiewaarden te vergroten en vervolgens een verscheidenheid aan GHZ- en clusterstatussen te genereren.

De verstrengelingssynthesizer zou ook grootschalige verstrengelde toestanden kunnen produceren voor een hoge schaalbaarheid; weergegeven met een eendimensionale clusterstatus. Het door de wetenschappers ontwikkelde circuit was gelijk aan de eerder voorgestelde clusterstatusgeneratie en daarna gedemonstreerd door Yokoyama et al. In het huidige werk, de wetenschappers genereerden een eendimensionale clusterstatus voor meer dan 1000 verstrengelingswijzen. Vanwege technische beperkingen, de wetenschappers konden in het experiment slechts 1008 modi meten. Echter, in principe, deze methode heeft geen theoretische limiet voor het aantal verstrengelde modi dat kan worden gegenereerd.

De wetenschappers waren niet in staat om de kwaliteit van deze clusterstaten direct te vergelijken met het vorige schema van Yokoyama et al. omdat het huidige op een lus gebaseerde schema gevoelig was voor verliezen als gevolg van extra optische componenten in de experimentele opstelling. Het op componenten gebaseerde verlies in de lus omvatte een variabele bundelsplitser en faseverschuiver, wat leidde tot verliesaccumulatie toen de optische pulsen herhaaldelijk door de opstelling circuleerden.

Takeda et al. vormde ook een kwantumgeheugen door een optische puls op te sluiten in het programmeerbare luscircuit. Hoewel de mogelijkheid om afstembare vertraging toe te voegen aan niet-klassieke CV-statussen een sleutelrol zou kunnen spelen voor tijdsynchronisatie in een verscheidenheid aan kwantumprotocollen, natuurkundigen hadden tot nu toe slechts een paar kwantumgeheugenexperimenten uitgevoerd voor verstrengelde continu-variabele (CV) toestanden.

Hoewel een op een lus gebaseerd kwantumgeheugen een eenvoudig en veelzijdig geheugen is dat de golflengte of kwantumtoestand van licht niet beperkt, het werd eerder alleen getoond voor enkele fotonen. Takeda et al. demonstreerde de functionaliteit in het huidige werk door een EPR-status in de lus te genereren en een deel van de EPR-status op te slaan voor n lussen om deze uiteindelijk vrij te geven. De wetenschappers zouden de levensduur van het kwantumgeheugen in de opstelling kunnen verlengen door de mechanische stabiliteit van de lus of het feedbacksysteem te vergroten om de kwantumtoestand te stabiliseren. Ze waren in staat om elke CV-kwantumtoestand op te slaan in het lusgebaseerde geheugen en ook niet-Gaussiaanse toestanden op te nemen door de knijper te veranderen in andere kwantumlichtbronnen.

Op deze manier, Takeda et al. programmeerbaar gegenereerde en geverifieerde kleinschalige en grootschalige verstrengelde toestanden en dynamisch gecontroleerd de doorlaatbaarheid van de bundelsplitser, faseverschuiving en meetbasis van een lusgebaseerd optisch circuit op nanoseconden tijdschalen. Ze demonstreerden de kwantumgeheugencapaciteit van het circuit door een deel van een EPR-status in de lus op te slaan. Het systeem is programmeerbaar en zeer schaalbaar, biedt een uniek en veelzijdig hulpmiddel voor toekomstige fotonische kwantumtechnologieën.

Takeda et al. stel je voor dat dit luscircuit in een grotere lus wordt ingebed om een ​​genest willekeurig bundelsplitsernetwerk te realiseren dat de samengeperste invoerpulsen combineert om willekeurige clustertoestanden te synthetiseren. Ze voorzien ook uitbreidingen van dit circuit naar een universele kwantumcomputer door een programmeerbare verplaatsingsoperator op te nemen op basis van het signaal van de homodyne-detector en niet-Gaussiaanse lichtbron. Het nieuwe netwerk zal een cruciale basis vormen om deze doelen te realiseren en aanvullend theoretisch en experimenteel onderzoek in fotonische kwantuminformatieverwerking te stimuleren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk