Wetenschap
Demonstratie van de aangekondigde verstrengeling van drie fotonen op een fotonische chip
Fotonische kwantumcomputers zijn computerhulpmiddelen die gebruik maken van de kwantumfysica en lichtdeeltjes (dat wil zeggen fotonen) gebruiken als eenheden voor informatieverwerking. Deze computers zouden uiteindelijk qua snelheid beter kunnen presteren dan conventionele kwantumcomputers, terwijl ze ook informatie over langere afstanden kunnen verzenden.
Ondanks hun belofte hebben fotonische kwantumcomputers nog niet de gewenste resultaten bereikt, deels vanwege de inherent zwakke interacties tussen individuele fotonen. In een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters , hebben onderzoekers van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China een grote clusterstatus aangetoond die kwantumberekeningen in een fotonisch systeem zou kunnen vergemakkelijken, namelijk de verstrengeling van drie fotonen.
"Fotonische kwantumcomputing is veelbelovend vanwege de operationele voordelen bij kamertemperatuur en minimale decoherentie", vertelde Hui Wang, co-auteur van het artikel, aan Phys.org.
"De inherente uitdaging ligt echter in de zwakke interactie tussen afzonderlijke fotonen, die de realisatie van deterministische twee-qubit-poorten belemmert die essentieel zijn voor schaalbaarheid. Om dit probleem aan te pakken, zijn de concepten van fusie en percolatie de afgelopen twintig jaar binnen ons vakgebied naar voren gekomen. "
Eerdere studies suggereren dat fusie en percolatie schaalbare benaderingen kunnen zijn om kwantumberekeningen in fotonische systemen te realiseren zonder de noodzaak van deterministische verstrengelingspoorten, zoals die nodig zijn voor supergeleidende qubits en gevangen ionen. Als onderdeel van hun onderzoek gebruikten Wang en zijn collega's een strategie die het samensmelten van kleine hulpbronnen, zoals de aangekondigde 3-GHZ-staat die ze demonstreerden, in grootschalige clusterstaten inhoudt die geschikt zijn voor het realiseren van op metingen gebaseerde kwantumcomputers. P>
"De percolatiestelling dicteert dat succes haalbaar is als de kans op succes van de fusiepoort een specifieke drempel overschrijdt", aldus Wang.
"In dit raamwerk omvat de initiële fase het genereren van de noodzakelijke staat van hulpbronnen, waarbij de kleinste essentiële toestand de drie-foton Greenberger-Horne-Zeilinger (3-GHz) toestand is. Er bestaan twee primaire methoden voor het genereren van deterministische 3-GHz-toestanden:i) het gebruik van single-foton-emitters zoals kwantumdots, die, hoewel theoretisch deterministisch, met de huidige technologieën te maken krijgen met efficiëntiebeperkingen; en (ii) op een aangekondigde manier bijna deterministisch verstrengelde clusters genereren, waardoor onmiddellijke validatie van succes mogelijk wordt zonder de doeltoestand te verstoren.
Van de twee methoden die een 3-GHZ-toestand genereren, lijkt de bijna deterministische generatie van verstrengelde clusters op een aangekondigde manier momenteel de meest veelbelovende. Met behulp van deze methode konden de onderzoekers deze toestand bereiken vanuit een enkele fotonbron in een fotonische chip.
Hun werk is een belangrijke mijlpaal op weg naar het realiseren van fouttolerante fotonische kwantumcomputing. Concreet zouden hun inspanningen de ontwikkeling kunnen versnellen van grootschalige optische kwantumcomputers die afhankelijk zijn van 3-GHZ-toestanden om kwantuminformatie te verwerken.
"Onze experimentele opstelling vereist zes afzonderlijke fotonen voor injectie in een passieve interferometer met 10 modi", legt Wang uit.
"Onze implementatie maakt gebruik van een InAs/GaAs-kwantumdot als de enkele fotonbron. We merken op dat dit de ultramoderne enkele fotonbron is onder alle fysieke systemen. De programmeerbare interferometer, afkomstig van Quix, demonstreert een algehele efficiëntie van 50% Door de toepassing van een specifieke unitaire transformatie manifesteert de resulterende uitgangstoestand over de poorten 1-6 zich als een dual-rail gecodeerde, aangekondigde 3-GHz-toestand, afhankelijk van de detectie van afzonderlijke fotonen in beide poorten en in slechts één van de poorten. poorten."
Het eerste rapport van aangekondigde afzonderlijke fotonen dateert uit 1986, terwijl de eerste aangekondigde verstrengelde fotonparen in 2010 werden gerealiseerd. Het recente werk van Wang en zijn medewerkers bouwt voort op deze eerdere vorderingen en demonstreert een grote clusterstaat die een sleutelrol zou kunnen spelen in waardoor fouttolerante, op metingen gebaseerde kwantumcomputing mogelijk wordt gemaakt met behulp van fotonische chips.
Opvallend is dat het artikel rond dezelfde tijd werd gepubliceerd als twee gerelateerde onderzoeken van andere teams, die te zien zijn in Physical Review Letters en Natuurfotonica , wat andere indrukwekkende resultaten opleverde. Gezamenlijk suggereren deze ontwikkelingen dat we dichter bij de effectieve realisatie van fouttolerante fotonische kwantumcomputers komen.
"In de nabije toekomst ligt het bereiken van een demonstratie van een fusiepoort die de percolatiedrempel overschrijdt met behulp van acht afzonderlijke fotonen binnen handbereik", voegde Wang eraan toe.
“Voortbouwend op het succes van de aangekondigde 3-GHZ-staat die in deze studie wordt gepresenteerd, kunnen meerdere 3-GHz-bronstaten worden samengevoegd om een uitgebreidere verstrengelde staat te vormen. Bovendien kan de verkenning van grootschalige verstrengelde staatsgeneratie op geïntegreerde kwantumoptische platforms is onderweg."