Новые количественные измерения кудитов позволяют заглянуть в квантовое будущее

 (Новости Nanowerk) Используя существующие экспериментальные и вычислительные ресурсы, межучрежденческая группа разработала эффективный метод измерения многомерных кудитов, закодированных в квантово-частотных гребенках, которые являются типом источника фотонов, на одном оптическом чипе.

Хотя слово «кудит» может показаться опечаткой, этот менее известный родственник кубита, или квантовый бит, может нести больше информации и более устойчив к шуму — оба эти качества являются ключевыми качествами, необходимыми для повышения производительности квантовых сетей. , квантовые системы распределения ключей и, в конечном счете, квантовый интернет.

Классические компьютерные биты классифицируют данные как единицы или нули, тогда как кубиты могут хранить значения единицы, нуля или обоих значений одновременно благодаря суперпозиции, которая позволяет существовать нескольким квантовым состояниям одновременно. «d» в кудите обозначает количество различных уровней или значений, которые могут быть закодированы в фотоне. Традиционные кубиты имеют два уровня, но добавление дополнительных уровней превращает их в кудиты.

Недавно исследователи из Ок-Риджской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Университета Пердью и Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL) полностью охарактеризовали запутанную пару восьмиуровневых кудитов, образующих 64-мерное квантовое пространство, что в четыре раза больше предыдущая запись для дискретных частотных режимов.

Микрокольцевой резонатор, показанный здесь в виде замкнутого контура, генерировал многоразмерные пары фотонов. Исследователи исследовали эти фотоны, манипулируя фазами разных частот или цветов света и смешивая частоты, как показано перекрещивающимися многоцветными линиями. (Изображение: Юн-И Пай, ORNL)

«Мы всегда знали, что можно кодировать 10- или 20-уровневые кудиты или даже выше, используя цвета фотонов или оптических частот, но проблема в том, что измерение этих частиц очень сложно», — сказал Сюань-Хао Лу. научный сотрудник с докторской степенью в ORNL. «В этом ценность этой статьи — мы нашли эффективную и новую технику, которую относительно легко использовать в экспериментальных целях».

Еще труднее измерить кудиты, когда они запутаны, а это означает, что они имеют неклассические корреляции независимо от физического расстояния между ними. Несмотря на эти проблемы, пары частотных элементов — два кудита в форме фотонов, запутавшихся в своих частотах, — хорошо подходят для передачи квантовой информации, поскольку они могут следовать по заданному пути через оптическое волокно, не подвергаясь значительным изменениям со стороны окружающей среды.

«Мы объединили современное производство частотных бинов с самыми современными источниками света, а затем использовали нашу технику для характеристики многомерной запутанности кудита с уровнем точности, который не был показан ранее. — сказал Джозеф Лукенс, научный сотрудник ORNL и научный сотрудник Вигнера.

Исследователи начали свои эксперименты, направив лазер на микрокольцевой резонатор — круглое устройство на кристалле, изготовленное EPFL и предназначенное для генерации неклассического света. Этот мощный источник фотонов занимает площадь в 1 квадратный миллиметр — по размеру он сравним с кончиком заточенного карандаша — и позволил команде генерировать пары «частота-бин» в виде квантово-частотных гребенок.

Как правило, эксперименты с кудитом требуют от исследователей создания квантовой схемы, называемой квантовым вентилем. Но в этом случае команда использовала электрооптический фазовый модулятор для смешивания различных частот света и формирователь импульсов для изменения фазы этих частот. Эти методы широко изучаются в Лаборатории сверхбыстрой оптики и оптоволоконной связи под руководством Эндрю Вайнера в Purdue, где Лу учился до прихода в ORNL.

Эти оптические устройства являются обычным явлением в телекоммуникационной отрасли, и исследователи выполняли эти операции случайным образом, чтобы зафиксировать множество различных частотных корреляций. По словам Лу, этот процесс подобен броску пары шестигранных игральных костей и записи того, сколько раз выпадает каждая комбинация чисел, но теперь игральные кости перепутаны друг с другом.

«Этот метод, в котором используются фазовые модуляторы и формирователи импульсов, активно используется в классическом контексте для сверхбыстрой и широкополосной обработки фотонных сигналов и был расширен до квантового направления частотных квит», — сказал Вайнер.

Чтобы работать в обратном направлении и сделать вывод о том, какие квантовые состояния создают частотные корреляции, идеально подходящие для приложений кудита, исследователи разработали инструмент анализа данных, основанный на статистическом методе, называемом байесовским выводом, и запустили компьютерное моделирование в ORNL. Это достижение основано на предыдущей работе команды, направленной на выполнение байесовского анализа и реконструкцию квантовых состояний.

В настоящее время исследователи дорабатывают свой метод измерения, чтобы подготовиться к серии экспериментов. Отправляя сигналы через оптическое волокно, они стремятся протестировать протоколы квантовой связи, такие как телепортация, которая является методом передачи квантовой информации, и обмен запутанностью, который представляет собой процесс запутывания двух ранее не связанных между собой частиц.

Картик Мийлсвами, аспирант Purdue, планирует принести микрокольцевой резонатор в ORNL, что позволит команде протестировать эти возможности в локальной квантовой сети лаборатории.

«Теперь, когда у нас есть метод, позволяющий эффективно охарактеризовать запутанность В зависимости от частоты мы можем проводить другие прикладные эксперименты», — сказал Мийлсвами.

Источник