Quantum-informatieverwerking belooft veel sneller en veiliger te zijn dan wat de huidige supercomputers kunnen bereiken, maar bestaat nog niet omdat het de bouwstenen zijn, qubits, zijn notoir instabiel.

Purdue University-onderzoekers behoren tot de eersten die een poort bouwen - wat een kwantumversie van een transistor zou kunnen zijn, gebruikt in hedendaagse computers voor het verwerken van informatie - met qudits. Terwijl qubits alleen kunnen bestaan ​​in superposities van 0 en 1 toestanden, qudits bestaan ​​in meerdere staten, zoals 0 en 1 en 2. Meer toestanden betekenen dat er meer gegevens kunnen worden gecodeerd en verwerkt.

De poort zou niet alleen inherent efficiënter zijn dan qubit-poorten, maar ook stabieler omdat de onderzoekers de qudits in fotonen verpakten, lichtdeeltjes die niet gemakkelijk worden verstoord door hun omgeving. De bevindingen van de onderzoekers staan ​​in npj Quantum Information.

De poort creëert ook een van de grootste verstrengelde toestanden van kwantumdeeltjes tot nu toe - in dit geval fotonen. Verstrengeling is een kwantumfenomeen dat ervoor zorgt dat metingen aan het ene deeltje automatisch de metingen aan een ander deeltje beïnvloeden. de mogelijkheid bieden om communicatie tussen partijen onbreekbaar te maken of kwantuminformatie van het ene punt naar het andere te teleporteren, bijvoorbeeld.

Hoe meer verstrengeling in de zogenaamde Hilbert-ruimte - het rijk waar de verwerking van kwantuminformatie kan plaatsvinden - hoe beter.

Eerdere fotonische benaderingen waren in staat om 18 qubits te bereiken die zijn gecodeerd in zes verstrengelde fotonen in de Hilbert-ruimte. Purdue-onderzoekers hebben de verstrengeling met een poort gemaximaliseerd met behulp van vier qudits - het equivalent van 20 qubits - gecodeerd in slechts twee fotonen.

Bij kwantumcommunicatie minder is meer. "Fotonen zijn duur in kwantumzin omdat ze moeilijk te genereren en te controleren zijn, dus het is ideaal om zoveel mogelijk informatie in elk foton te stoppen, " zei Poolad Imany, een postdoctoraal onderzoeker in Purdue's School of Electrical and Computer Engineering.

Het team bereikte meer verstrengeling met minder fotonen door één qudit te coderen in het tijdsdomein en de andere in het frequentiedomein van elk van de twee fotonen. Ze bouwden een poort met behulp van de twee qudits die in elk foton zijn gecodeerd, voor een totaal van vier qudits in 32 dimensies, of mogelijkheden, van zowel tijd als frequentie. Hoe meer afmetingen, hoe meer verstrikking.

Beginnend met twee fotonen die verstrengeld zijn in het frequentiedomein en vervolgens de poort bedienen om de tijd- en frequentiedomeinen van elk foton te verstrengelen, genereert vier volledig verstrengelde qudits, die een Hilbertruimte van 1 innemen 048, 576 afmetingen, of 32 tot de vierde macht.

Typisch, poorten die op fotonische platforms zijn gebouwd om kwantuminformatie te manipuleren die in afzonderlijke fotonen is gecodeerd, werken slechts een deel van de tijd omdat fotonen van nature niet zo goed met elkaar interageren, waardoor het extreem moeilijk is om de toestand van het ene foton te manipuleren op basis van de toestand van een ander. Door kwantuminformatie te coderen in de tijd- en frequentiedomeinen van fotonen, Purdue-onderzoekers maakten het bedienen van de kwantumpoort deterministisch in plaats van probabilistisch.

Het team implementeerde de poort met een set standaard kant-en-klare apparatuur die dagelijks wordt gebruikt in de optische communicatie-industrie.

"Deze poort stelt ons in staat om informatie op een voorspelbare en deterministische manier te manipuleren, wat betekent dat het de bewerkingen zou kunnen uitvoeren die nodig zijn voor bepaalde taken voor het verwerken van kwantuminformatie, " zei Andrew Weiner, Purdue's Scifres Family Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering, wiens lab gespecialiseerd is in ultrasnelle optica.

Volgende, het team wil de poort gebruiken in kwantumcommunicatietaken zoals hoogdimensionale kwantumteleportatie en voor het uitvoeren van kwantumalgoritmen in toepassingen zoals kwantummachine learning of het simuleren van moleculen.