Een team van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een reeks experimenten uitgevoerd om een ​​beter begrip te krijgen van de kwantummechanica en om vooruitgang te boeken in kwantumnetwerken en kwantumcomputers. die kunnen leiden tot praktische toepassingen op het gebied van cyberbeveiliging en andere gebieden.

ORNL-kwantumonderzoekers Joseph Lukens, Pavel Lougovski, Brian Williams, en Nicholas Peters - samen met medewerkers van de Purdue University en de Technological University of Pereira in Colombia - de resultaten van verschillende van hun recente academische papers samengevat in een speciale uitgave van de Optical Society's Nieuws optica en fotonica , die enkele van de belangrijkste resultaten van optica-gerelateerd onderzoek in 2019 liet zien. Hun inzending was een van de 30 geselecteerd voor publicatie uit een pool van 91.

Conventionele computer "bits" hebben een waarde van 0 of 1, maar kwantumbits, genaamd "qubits, " kan bestaan ​​in een superpositie van kwantumtoestanden gelabeld 0 en 1. Dit vermogen maakt kwantumsystemen veelbelovend voor het verzenden, verwerken, opslaan, en het versleutelen van enorme hoeveelheden informatie met ongekende snelheden.

Om fotonen te bestuderen - afzonderlijke lichtdeeltjes die als qubits kunnen fungeren - gebruikten de onderzoekers lichtbronnen die kwantum optische frequentiekammen worden genoemd en die veel nauwkeurig gedefinieerde golflengten bevatten. Omdat ze met de snelheid van het licht reizen en geen interactie hebben met hun omgeving, fotonen zijn een natuurlijk platform om kwantuminformatie over lange afstanden te vervoeren.

Interacties tussen fotonen zijn notoir moeilijk te induceren en te controleren, maar deze mogelijkheden zijn nodig voor effectieve kwantumcomputers en kwantumpoorten, dat zijn kwantumcircuits die op qubits werken. Niet-bestaande of onvoorspelbare fotonische interacties maken twee-foton-kwantumpoorten veel moeilijker te ontwikkelen dan standaard één-fotonpoorten, maar de onderzoekers bereikten verschillende belangrijke mijlpalen in recente onderzoeken die deze uitdagingen aangingen.

Bijvoorbeeld, ze hebben aanpassingen gedaan aan bestaande telecommunicatieapparatuur die wordt gebruikt in optica-onderzoek om ze te optimaliseren voor kwantumfotonica. Hun resultaten onthulden nieuwe manieren om deze bronnen te gebruiken voor zowel traditionele als kwantumcommunicatie.

"Het gebruik van deze apparatuur om kwantumtoestanden te manipuleren is de technologische onderbouwing van al deze experimenten, maar we hadden niet verwacht dat we de andere kant op zouden kunnen gaan en de klassieke communicatie zouden verbeteren door te werken aan kwantumcommunicatie, " zei Lukens. "Deze interessante en onverwachte bevindingen zijn verschenen naarmate we dieper in dit onderzoeksgebied duiken."

Een dergelijk hulpmiddel, een frequentiebundelsplitser, verdeelt een enkele lichtstraal in twee frequenties, of kleuren, van licht.

"Stel je voor dat er een lichtstraal door een optische vezel gaat met een bepaalde frequentie, zeggen, rood, " zei Lukens. "Toen, na door de frequentiebundelsplitser te zijn gegaan, het foton zal vertrekken als twee frequenties, dus het zal zowel rood als blauw zijn."

De leden van dit team waren de eerste onderzoekers die met succes een kwantumfrequentiebundelsplitser ontwierpen met standaard lichtgolfcommunicatietechnologie. Dit apparaat neemt tegelijkertijd rode en blauwe fotonen op, produceert vervolgens energie in de rode of de blauwe frequentie. Door deze methode te gebruiken om opzettelijk de frequenties van fotonen te veranderen, het team misleidde de hardnekkige deeltjes tot gunstige interacties op basis van kwantuminterferentie, het fenomeen van fotonen die interfereren met hun eigen banen.

"Het bleek dat kant-en-klare apparaten indrukwekkende controle kunnen bieden op het niveau van één foton, waarvan mensen niet wisten dat het mogelijk was, ' zei Lougovski.

Aanvullend, voltooiden de onderzoekers de eerste demonstratie van een frequentietritter, die een lichtstraal splitst in drie verschillende frequenties in plaats van twee. Hun resultaten gaven aan dat meerdere bewerkingen voor het verwerken van kwantuminformatie tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd zonder fouten te introduceren of de gegevens te beschadigen.

Een andere belangrijke prestatie was het ontwerp en de demonstratie door het team van een op toeval gebaseerde NIET-gecontroleerde poort, waardoor het ene foton een frequentieverschuiving in een ander foton kan regelen. Dit apparaat voltooide een universele kwantumpoortset, wat betekent dat elk kwantumalgoritme kan worden uitgedrukt als een reeks binnen die poorten.

"Quantum computing-applicaties vereisen veel indrukwekkendere controleniveaus dan elke vorm van klassieke computing, ' zei Lougovski.

Het team codeerde ook kwantuminformatie in meerdere onafhankelijke waarden die bekend staan ​​als vrijheidsgraden binnen een enkel foton, waardoor ze kwantumverstrengeling-achtige effecten konden waarnemen zonder twee afzonderlijke deeltjes nodig te hebben. Bij verstrengeling zijn meestal twee aan elkaar gekoppelde deeltjes betrokken, waarbij veranderingen in de toestand van het ene deeltje ook van toepassing zijn op het andere.

Eindelijk, de onderzoekers hebben kwantumsimulaties van natuurkundige problemen in de echte wereld voltooid. In samenwerking met wetenschappers van het Air Force Research Laboratory, ze ontwikkelen nu kleine, gespecialiseerde siliciumchips vergelijkbaar met die in de micro-elektronica in het streven naar nog betere fotonische prestaties.

"In theorie, we kunnen al deze bewerkingen op een enkele fotonische chip krijgen, en we zien veel potentieel voor het doen van soortgelijke kwantumexperimenten op dit nieuwe platform, " zei Lukens. "Dat is de volgende stap om deze technologie echt vooruit te helpen."

Toekomstige kwantumcomputers zullen wetenschappers in staat stellen ongelooflijk complexe wetenschappelijke problemen te simuleren die onmogelijk te bestuderen zijn op huidige systemen. zelfs supercomputers. Ondertussen, de bevindingen van het team kunnen onderzoekers helpen om fotonische systemen in te bedden in de huidige krachtige computerbronnen.

"We hebben een zeer divers en getalenteerd team, " zei Lougovski. "Het belangrijkste is dat we resultaten boeken."