Исследователи создают транзисторные ворота для квантовой обработки информации с помощью qudits

Квантовая обработка информации обещает быть намного быстрее и безопаснее, чем сегодняшние суперкомпьютеры, но пока не существует, потому что ее строительные блоки, кубиты, как известно, нестабильны.

Исследователи из Университета Пердью одними из первых построили затвор — то, что могло бы быть квантовой версией транзистора, используемого в современных компьютерах для обработки информации — с помощью вычислений. В то время как кубиты могут существовать только в суперпозиции состояний 0 и 1, они существуют в нескольких состояниях, таких как 0 и 1 и 2. Чем больше состояний, тем больше данных можно кодировать и обрабатывать.

Врата были бы не только более эффективными, чем кубитные, но и более стабильными, потому что исследователи упаковывали квититы в фотоны, частицы света, которые не легко нарушаются окружающей средой. Выводы исследователей появляются в npj Quantum Information.

Врата также создают одно из самых больших запутанных состояний квантовых частиц на сегодняшний день — в данном случае, фотонов. Запутывание — это квантовое явление, которое позволяет измерениям на одной частице автоматически влиять на измерения на другой частице, предоставляя возможность сделать связь между сторонами неразрывной или, например, телепортировать квантовую информацию из одной точки в другую.

Чем больше запутанность в так называемом гильбертовом пространстве — сфере, где может происходить квантовая обработка информации — тем лучше.

Предыдущие фотонные подходы были способны достичь 18 кубитов, закодированных в шести запутанных фотонах в гильбертовом пространстве. Исследователи Пердью максимизировали запутывание с воротами, используя четыре квитита — эквивалент 20 кубитов — закодированных только в двух фотонах.

В квантовой коммуникации меньше значит больше. «Фотоны дорогие в квантовом смысле, потому что их трудно генерировать и контролировать, поэтому идеально упаковывать как можно больше информации в каждый фотон», — сказал Пуллад Имани, научный сотрудник Школы электротехники и вычислительной техники им. Пердью.

Команда достигла большего запутывания с меньшим количеством фотонов, кодируя один квидит во временной области, а другой — в частотной области каждого из двух фотонов. Они создали ворота, используя два квитта, закодированных в каждом фотоне, в общей сложности четыре квита в 32 измерениях или возможностях, как времени, так и частоты. Чем больше размеров, тем больше запутанность.

Начиная с двух фотонов, запутанных в частотной области, и затем управляя затвором, чтобы запутать временную и частотную области каждого фотона, генерирует четыре полностью запутанных квитта, которые занимают пространство Гильберта с 1 048 576 измерениями, или с 32 до четвертой степени.

Как правило, затворы, построенные на фотонных платформах для манипулирования квантовой информацией, закодированной в отдельных фотонах, работают лишь некоторое время, потому что фотоны естественным образом не очень хорошо взаимодействуют друг с другом, что делает чрезвычайно сложным манипулирование состоянием одного фотона на основе состояния другой. Кодируя квантовую информацию во временной и частотной областях фотонов, исследователи Пердью сделали работу с квантовыми воротами детерминированной, а не вероятностной.

Команда внедрила ворота с набором стандартного стандартного оборудования, ежедневно используемого в индустрии оптической связи.

«Эти ворота позволяют нам манипулировать информацией предсказуемым и детерминированным способом, что означает, что он может выполнять операции, необходимые для определенных задач квантовой обработки информации», — сказал Эндрю Вейнер, выдающийся профессор электротехники и вычислительной техники из семейства Purdue Scifres, чья лаборатория специализируется в сверхбыстрой оптике.

Затем команда хочет использовать ворота в задачах квантовой связи, таких как многоплановая квантовая телепортация, а также для выполнения квантовых алгоритмов в таких приложениях, как обучение квантовой машине или моделирование молекул.