Demonstration der angekündigten Verschränkung von drei Photonen auf einem photonischen Chip

Photonische Quantencomputer sind Rechenwerkzeuge, die sich die Quantenphysik zunutze machen und Lichtteilchen (d. h. Photonen) als Informationsverarbeitungseinheiten nutzen. Diese Computer könnten irgendwann herkömmliche Quantencomputer hinsichtlich der Geschwindigkeit übertreffen und gleichzeitig Informationen über größere Entfernungen übertragen.

Trotz ihrer Versprechen haben photonische Quantencomputer noch nicht die erwarteten Ergebnisse erzielt, was teilweise auf die von Natur aus schwachen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Photonen zurückzuführen ist. In einem Artikel veröffentlicht in Briefe zur körperlichen UntersuchungForscher der Universität für Wissenschaft und Technologie in China haben einen großen Clusterzustand nachgewiesen, der Quantencomputer in einem photonischen System erleichtern könnte, nämlich die Drei-Photonen-Verschränkung.

„Photonisches Quantencomputing ist aufgrund seiner Betriebsvorteile bei Raumtemperatur und der minimalen Dekohärenz vielversprechend“, sagte Hui Wang, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org.

„Die inhärente Herausforderung liegt jedoch in der schwachen Wechselwirkung zwischen einzelnen Photonen, die die Realisierung deterministischer Zwei-Qubit-Gatter behindert, die für die Skalierbarkeit unerlässlich sind. Um dieses Problem anzugehen, sind im Laufe der zwei Jahrzehnte auf unserem Gebiet die Konzepte der Fusion und Perkolation entstanden.“

Frühere Studien deuten darauf hin, dass Fusion und Perkolation skalierbare Ansätze zur Quantenberechnung in photonischen Systemen sein könnten, ohne dass deterministische Verschränkungstore erforderlich sind, wie sie beispielsweise bei supraleitenden Qubits und gefangenen Ionen erforderlich sind. In ihrer Studie verwendeten Wang und seine Kollegen eine Strategie, bei der kleine Ressourcenzustände, wie der von ihnen demonstrierte beworbene 3-GHz-Zustand, zu großräumigen Clusterzuständen zusammengeführt werden, die für die Realisierung einer Quantenberechnung auf Basis von Messungen geeignet sind.

„Das Perkolationstheorem besagt, dass ein Erfolg erreichbar ist, wenn die Erfolgswahrscheinlichkeit des Fusionstors einen bestimmten Schwellenwert überschreitet“, sagte Wang.

„In diesem Rahmen besteht die Anfangsphase darin, den notwendigen Ressourcenzustand zu erzeugen, wobei der kleinste wesentliche Zustand der Greenberger-Horne-Zeilinger-Drei-Photonen-Zustand (3 GHz) ist. Es gibt zwei Hauptmethoden für die deterministische Zustandserzeugung bei 3 GHz : (i) Einzelphotonenemitter wie Quantenpunkte verwenden, die, obwohl theoretisch deterministisch, bei aktuellen Technologien an Effizienzgrenzen stoßen, und (ii) auf angekündigte Weise quasi-deterministisch verschränkte Cluster erzeugen, was eine sofortige Erfolgsbestätigung ermöglicht, ohne den Zielzustand zu stören.

Von den beiden Methoden zur Erzeugung eines 3-GHz-Zustands scheint die quasideterministische Erzeugung verschränkter Cluster in der angekündigten Art derzeit die vielversprechendste zu sein. Mit dieser Methode konnten die Forscher diesen Zustand aus einer Einzelphotonenquelle in einem photonischen Chip gewinnen.

Ihre Arbeit stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zum fehlertoleranten photonischen Quantencomputing dar. Insbesondere könnten ihre Bemühungen die Entwicklung großer optischer Quantencomputer beschleunigen, die zur Verarbeitung von Quanteninformationen auf 3-GHz-Zustände angewiesen sind.

„Unser Versuchsaufbau erfordert die Injektion von sechs einzelnen Photonen in ein passives 10-Moden-Interferometer“, erklärte Wang.

„Unsere Implementierung verwendet einen InAs/GaAs-Quantenpunkt als Einzelphotonenquelle. Es ist zu beachten, dass dies die hochmoderne Einzelphotonenquelle unter allen physikalischen Systemen ist. Das programmierbare Interferometer von Quix weist eine Gesamteffizienz auf.“ von 50 % Durch die Anwendung einer spezifischen Einheitentransformation manifestiert sich der resultierende Ausgangszustand an den Ports 1 bis 6 als Dual-Rail-codierter 3-GHz-Ankündigungszustand, abhängig von der Erkennung einzelner Photonen in beiden Ports und nur in einem der Ports .

Der erste gemeldete Einzelphotonenbericht stammt aus dem Jahr 1986, während die ersten Berichte über verschränkte Photonenpaare im Jahr 2010 erstellt wurden. Die jüngste Arbeit von Wang und Kollegen baut auf diesen früheren Fortschritten auf und demonstriert einen großen Clusterzustand, der eine Schlüsselrolle bei der Ermöglichung von Fehlertoleranz spielen könnte , messbasiertes Quantencomputing mit photonischen Chips.

Bemerkenswerterweise wurde das Papier etwa zur gleichen Zeit wie zwei verwandte Studien anderer Teams veröffentlicht, die in vorgestellt wurden Briefe zur körperlichen Untersuchung Und Natürliche Photonik, die weitere beeindruckende Ergebnisse zusammenbrachte. Insgesamt deuten diese Entwicklungen darauf hin, dass wir der tatsächlichen Realisierung fehlertoleranter photonischer Quantencomputer näher kommen.

„In naher Zukunft ist es möglich, mit acht einzelnen Photonen ein Fusionstor zu demonstrieren, das die Perkolationsschwelle überschreitet“, fügte Wang hinzu.

„Aufbauend auf dem Erfolg des in dieser Studie vorgestellten angekündigten 3-GHz-Zustands können mehrere 3-GHz-Ressourcenzustände zu einem größeren verschränkten Zustand zusammengeführt werden. Darüber hinaus wird derzeit die Erzeugung großräumiger verschränkter Zustände auf integrierten Quantenoptikplattformen untersucht. “

© 2024 Science X Network