Isaac Nep, een opkomend Zuid-Afrikaans talent in de studie van kwantumoptica, maakt deel uit van een crack-team van Wits-fysici die een internationale studie leidden die de verborgen structuren van kwantumverstrengelde toestanden aan het licht bracht. Het onderzoek is gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift, Natuurcommunicatie , op vrijdag, 27 augustus 2021.

Nape streeft naar zijn Ph.D. aan Wits University en richt zich op het benutten van gestructureerde lichtpatronen voor het coderen en decoderen van hoogdimensionale informatie voor gebruik in kwantumcommunicatie.

Eerder dit jaar sleepte hij twee prijzen in de wacht op de conferentie van het South African Institute of Physics (SAIP) als aanvulling op zijn groeiende verzameling onderscheidingen op het gebied van optica en fotonica. Hij won de prijs voor "Best Ph.D. mondelinge presentatie in toegepaste natuurkunde, " en won gezamenlijk de prijs voor "Best Ph.D. mondelinge presentatie in fotonica."

In mei, hij ontving ook de prestigieuze 2021 Optics and Photonics Education Scholarship van de SPIE, de internationale vereniging voor optica en fotonica, voor zijn potentiële bijdragen op het gebied van optica, fotonica of gerelateerd veld.

Sneller en veiliger computergebruik

Nu Nape en zijn collega's bij Wits, bieden samen met medewerkers uit Schotland en Taiwan een nieuwe en snelle tool voor quantum computing en communicatie. "Kwantumtoestanden die verstrikt zijn in vele dimensies zijn de sleutel tot onze opkomende kwantumtechnologieën, waar meer dimensies een hogere kwantumbandbreedte (sneller) en een betere weerstand tegen ruis (beveiliging) betekenen, cruciaal voor zowel snelle als veilige communicatie en snelheid in foutloze quantum computing.

"Wat we hier hebben gedaan, is een nieuwe benadering uitvinden om deze 'hoogdimensionale' kwantumtoestanden te onderzoeken, het verminderen van de meettijd van decennia tot minuten, ' legt Nep uit.

Nape werkte met Distinguished Professor Andrew Forbes, hoofdonderzoeker van deze studie en directeur van het Structured Light Laboratory in de School of Physics bij Wits, evenals postdoctoraal onderzoeker Dr. Valeria Rodriguez-Fajardo, een bezoek aan de Taiwanese onderzoeker Dr. Hasiao-Chih Huang, en Dr. Jonathan Leach en Dr. Feng Zhu van de Heriot-Watt University in Schotland.

Ben je kwantum of niet?

In hun artikel getiteld "Meten dimensionaliteit en zuiverheid van hoog-dimensionale verstrengelde staten, " schetste het team een ​​nieuwe benadering van kwantummeting, het testen op een 100-dimensionale kwantumverstrengelde toestand.

Met traditionele benaderingen, de meettijd neemt ongunstig toe met de afmeting, zodat het ontrafelen van een 100-dimensionale toestand door een volledige tomografie van de kwantumtoestand tientallen jaren zou duren. In plaats daarvan, het team toonde aan dat de meest opvallende informatie van het kwantumsysteem - het aantal verstrengelde dimensies en hun niveau van zuiverheid - in slechts enkele minuten kon worden afgeleid. De nieuwe aanpak vereist alleen eenvoudige projecties die gemakkelijk in de meeste laboratoria kunnen worden gedaan met conventionele hulpmiddelen. Met licht als voorbeeld, het team met behulp van een volledig digitale benadering om de metingen uit te voeren.

Het probleem, legt Nape uit, is dat hoewel hoogdimensionale toestanden gemakkelijk gemaakt kunnen worden, vooral met verstrengelde lichtdeeltjes (fotonen), ze zijn niet gemakkelijk te meten - de bestaande toolbox om ze te meten en te regelen is bijna leeg.

Je kunt denken aan een hoogdimensionale kwantumtoestand zoals gezichten van een dobbelsteen. Een conventionele dobbelsteen heeft zes vlakken, genummerd van één tot en met zes, voor een zesdimensionaal alfabet dat kan worden gebruikt voor computergebruik of voor het overbrengen van informatie in communicatie. Om 'hoogdimensionale dobbelstenen' te maken, moet je dobbelstenen maken met veel meer vlakken:100 dimensies is gelijk aan 100 vlakken - een nogal gecompliceerde veelhoek.

"In onze dagelijkse wereld, het zou gemakkelijk zijn om de gezichten te tellen om te weten wat voor soort bron we tot onze beschikking hadden, maar niet zo in de kwantumwereld. In de kwantumwereld je kunt nooit de hele dood zien, dus het tellen van de gezichten is erg moeilijk. De manier waarop we dit omzeilen is door een tomografie te doen, zoals ze dat in de medische wereld doen, een beeld opbouwen van velen, veel plakjes van het object, " legt Nap uit.

Maar de informatie in kwantumobjecten kan enorm zijn, dus de tijd voor dit proces is onbetaalbaar. Een snellere benadering is een Bell-meting, een beroemde test om te zien of wat je voor je hebt verstrikt is, zoals het vragen "ben je kwantum of niet?" Maar hoewel dit de kwantumcorrelaties van de dobbelstenen bevestigt, het zegt niet veel over het aantal gezichten dat het heeft.

toevallige ontdekking

"Ons werk heeft het probleem omzeild door een toevallige ontdekking, dat er een reeks metingen is die geen tomografie is en geen Bell-meting, maar dat bevat belangrijke informatie van beide, "zegt Nape. "In technisch spraakgebruik, we hebben deze twee meetbenaderingen gemengd om meerdere projecties te doen die eruitzien als een tomografie, maar de zichtbaarheid van de uitkomst meten, alsof het Bell-metingen waren. Dit onthulde de verborgen informatie die kon worden geëxtraheerd uit de kracht van de kwantumcorrelaties over vele dimensies."

Eerst en snel

De combinatie van snelheid van de Bell-achtige benadering en informatie van de tomografie-achtige benadering betekende dat belangrijke kwantumparameters zoals dimensionaliteit en de zuiverheid van de kwantumtoestand snel en kwantitatief konden worden bepaald, de eerste manier om dit te doen.

"We suggereren niet dat onze aanpak andere technieken vervangt, "zegt Forbes. "Integendeel, we zien het als een snelle sonde om te onthullen waar je mee te maken hebt, en gebruik deze informatie vervolgens om een ​​weloverwogen beslissing te nemen over wat u vervolgens moet doen. Een geval van paarden-voor-cursussen."

Bijvoorbeeld, het team ziet hun aanpak als het veranderen van het spel in echte kwantumcommunicatieverbindingen, waarbij een snelle meting van hoe luidruchtig die kwantumtoestand is geworden en wat dit heeft gedaan met de bruikbare dimensies cruciaal is.