Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики продемонстрировали новый уровень контроля над фотонами, закодированными квантовой информацией. Их исследование было опубликовано в Optica .

Квантовый частотный процессор команды работает на фотонах (сферах) через квантовые врата (коробки), синонимичные с классическими схемами для квантовых вычислений. Суперпозиции показаны сферами, охватывающими несколько линий; запутывания визуализируются как облака. Фото: Энди Спролес / Национальная лаборатория Ок-Риджа, Министерство энергетики США

Джозеф Люкенс, Брайан Уильямс, Николас Питерс и Павел Луговски, ученые-исследователи из квантовой группы информационных наук ORNL, выполнили различные независимые операции одновременно над двумя кубитами, кодированными на фотонах разных частот, что является ключевой возможностью в линейных оптических квантовых вычислениях. Кубиты – самая маленькая единица квантовой информации.

Квантовые ученые, работающие с частотно-кодированными кубитами, смогли выполнить одну операцию на двух кубитах параллельно, но этого не хватает для квантовых вычислений.

«Чтобы реализовать универсальные квантовые вычисления, вы должны иметь возможность одновременно выполнять различные операции над разными кубитами, и это то, что мы сделали здесь», – сказал Луговски.

По словам Луговски, экспериментальная система команды – два запутанных фотона, содержащихся в одной нити волоконно-оптического кабеля, – это «самый маленький квантовый компьютер, который вы можете себе представить. Эта статья является первой демонстрацией нашего частотного подхода к универсальным квантовым вычислениям ».

«Многие исследователи говорят о квантовой обработке информации с помощью фотонов и даже об использовании частоты», – сказал Лукенс. «Но никто не думал о том, чтобы отправить несколько фотонов через одну и ту же волоконно-оптическую нить, в одно и то же пространство и по-разному воздействовать на них».

Квантовый частотный процессор команды позволил им манипулировать частотой фотонов, чтобы вызвать суперпозицию, состояние, которое позволяет квантовым операциям и вычислениям.

В отличие от битов данных, закодированных для классических вычислений, наложенные кубиты, закодированные на частоте фотона, имеют значения 0 и 1, а не 0 или 1. Эта возможность позволяет квантовым компьютерам одновременно выполнять операции с большими наборами данных, чем современные суперкомпьютеры.

Используя их процессор, исследователи продемонстрировали 97-процентную видимость помех – меру того, насколько похожи два фотона – по сравнению с 70-процентной видимостью, полученной в аналогичных исследованиях. Их результат показал, что квантовые состояния фотонов были практически идентичны.

Исследователи также применили статистический метод, связанный с машинным обучением, чтобы доказать, что операции выполнялись с очень высокой точностью и полностью контролируемым образом.

Инновационная экспериментальная установка исследователей включала работу с фотонами, содержащимися в одном оптоволоконном кабеле

Инновационная экспериментальная установка исследователей включала работу с фотонами, содержащимися в одном оптоволоконном кабеле. Это обеспечивало стабильность и контроль операций, производящих запутанные фотоны, показанные разделенными сверху и переплетенные снизу после операций, выполняемых процессором (в центре), и дополнительно продемонстрировало выполнимость стандартной телекоммуникационной технологии для линейной оптической квантовой обработки информации. Фото: Энди Спролес / Национальная лаборатория Ок-Риджа, Министерство энергетики США
«Мы смогли получить больше информации о квантовом состоянии нашей экспериментальной системы с помощью байесовского вывода, чем если бы мы использовали более распространенные статистические методы», – сказал Уильямс.

«Эта работа представляет собой первый раз, когда процесс нашей команды дал реальный квантовый результат».

Уильямс указал, что их экспериментальная установка обеспечивает стабильность и контроль. «Когда фотоны идут по разным путям в оборудовании, они испытывают различные фазовые изменения, и это приводит к нестабильности», – сказал он. «Когда они проходят через одно и то же устройство, в данном случае оптоволоконную прядь, вы лучше контролируете».

Стабильность и контроль обеспечивают квантовые операции, которые сохраняют информацию, сокращают время обработки информации и повышают энергоэффективность. Исследователи сравнили свои текущие проекты, начатые в 2016 году, со строительными блоками, которые будут объединены, чтобы сделать возможным крупномасштабные квантовые вычисления.

«Есть шаги, которые вы должны предпринять, прежде чем делать следующий, более сложный шаг», – сказал Питерс. «Наши предыдущие проекты были сосредоточены на развитии фундаментальных возможностей и позволили нам теперь работать в полностью квантовой области с полностью квантовыми входными состояниями».

Лукенс сказал, что результаты команды показывают, что «мы можем контролировать квантовые состояния кубитов, изменять их корреляции и модифицировать их, используя стандартные телекоммуникационные технологии способами, которые применимы к продвижению квантовых вычислений».

Как только все строительные блоки квантовых компьютеров будут готовы, он добавил: «Мы можем начать подключать квантовые устройства для создания квантового Интернета, что является следующим, захватывающим шагом».

Несмотря на то, что информация обрабатывается по-разному от суперкомпьютера к суперкомпьютеру, отражая разных разработчиков и приоритеты рабочего процесса, квантовые устройства будут функционировать с использованием разных частот. Это усложнит их соединение, чтобы они могли работать вместе, как современные компьютеры взаимодействуют в Интернете.

Эта работа является расширением предыдущих демонстраций команды о возможностях квантовой обработки информации на стандартных телекоммуникационных технологиях. Кроме того, по их словам, практическое использование существующей инфраструктуры оптоволоконных сетей для квантовых вычислений: были вложены миллиарды долларов, а обработка квантовой информации представляет собой новое применение.

Исследователи сказали, что этот «полный круг» аспект их работы очень удовлетворяет. «Мы начали наше совместное исследование, стремясь исследовать использование стандартной телекоммуникационной технологии для квантовой обработки информации, и мы обнаружили, что можем вернуться к классической области и улучшить ее», – сказал Лукенс.

По материалам phys.org