Skip to content
Home » Nieuwe metingen die qudits kwantificeren bieden een glimp van de kwantumtoekomst

Nieuwe metingen die qudits kwantificeren bieden een glimp van de kwantumtoekomst

    Nieuwe metingen die qudits kwantificeren bieden een glimp van de kwantumtoekomst
    Nieuwe metingen die qudits kwantificeren bieden een glimp van de kwantumtoekomst

    De microringresonator, hier weergegeven als een gesloten lus, genereert hoogdimensionale fotonparen. Onderzoekers onderzochten deze fotonen door de fasen van verschillende frequenties, of kleuren, van licht en mengfrequenties te manipuleren, zoals blijkt uit de gekruiste veelkleurige lijnen. Krediet: Yun-Yi Pai/ORNL, US Dept. van energie

    Met behulp van bestaande experimentele en computationele middelen heeft een multi-institutioneel team een ​​effectieve methode ontwikkeld voor het meten van hoogdimensionale qudits die zijn gecodeerd in kwantumfrequentiekammen, een soort fotonenbron, op een enkele optische chip.


    Hoewel het woord “qudit” op een typfout lijkt, kan deze minder bekende neef van de qubit, of kwantumbit, meer informatie bevatten en is hij beter bestand tegen ruis – beide belangrijke eigenschappen die nodig zijn om de prestaties van kwantumnetwerken te verbeteren , kwantumsleuteldistributiesystemen en, uiteindelijk, het kwantuminternet.

    Klassieke computerbits categoriseren gegevens als enen of nullen, terwijl qubits waarden van één, nul of beide tegelijk kunnen bevatten vanwege superpositie, een fenomeen dat het mogelijk maakt om meerdere kwantumtoestanden tegelijkertijd te laten bestaan. De “d” in qudit staat voor het aantal verschillende niveaus of waarden die op een foton kunnen worden gecodeerd. Traditionele qubits hebben twee niveaus, maar door meer niveaus toe te voegen, worden ze omgezet in qudits.

    Onlangs hebben onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, de Purdue University en het Swiss Federal Institute of Technology Lausanne, of EPFL, een verstrengeld paar qudits van acht niveaus volledig gekarakteriseerd, die een 64-dimensionale kwantumruimte vormden – verviervoudiging van de vorige record voor discrete frequentiemodi. Deze resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

    “We hebben altijd geweten dat het mogelijk is om qudits van 10 of 20 niveaus of zelfs hoger te coderen met behulp van de kleuren van fotonen of optische frequenties, maar het probleem is dat het meten van deze deeltjes erg moeilijk is”, zegt Hsuan-Hao Lu, een postdoctoraal onderzoeker bij ORNL. “Dat is de waarde van dit artikel – we hebben een efficiënte en nieuwe techniek gevonden die relatief eenvoudig te doen is aan de experimentele kant.”

    Qudits zijn nog moeilijker te meten wanneer ze verstrengeld zijn, wat betekent dat ze niet-klassieke correlaties delen, ongeacht de fysieke afstand tussen hen. Ondanks deze uitdagingen zijn frequentie-bin-paren – twee qudits in de vorm van fotonen die verstrikt zijn in hun frequenties – zeer geschikt om kwantuminformatie te dragen, omdat ze een voorgeschreven pad door optische vezels kunnen volgen zonder significant te worden gewijzigd door hun omgeving.

    “We combineerden ultramoderne productie van frequentiebakken met ultramoderne lichtbronnen en gebruikten vervolgens onze techniek om hoogdimensionale qudit-verstrengeling te karakteriseren met een precisie die nog niet eerder is getoond, ” zei Joseph Lukens, een Wigner Fellow en onderzoekswetenschapper bij ORNL.

    De onderzoekers begonnen hun experimenten door een laser in een microringresonator te laten schijnen – een cirkelvormig, on-chip apparaat vervaardigd door EPFL en ontworpen om niet-klassiek licht te genereren. Deze krachtige fotonenbron neemt 1 vierkante millimeter ruimte in beslag – vergelijkbaar in grootte met de punt van een geslepen potlood – en stelde het team in staat frequentie-bin-paren te genereren in de vorm van kwantumfrequentiekammen.

    Doorgaans vereisen qudit-experimenten dat onderzoekers een soort kwantumcircuit bouwen dat een kwantumpoort wordt genoemd. Maar in dit geval gebruikte het team een ​​elektro-optische fasemodulator om verschillende lichtfrequenties te mengen en een pulsvormer om de fase van deze frequenties te wijzigen. Deze technieken worden uitgebreid bestudeerd in het Ultrafast Optics and Optical Fiber Communications Laboratory onder leiding van Andrew Weiner in Purdue, waar Lu studeerde voordat hij bij ORNL kwam.

    Deze optische apparaten zijn gebruikelijk in de telecommunicatie-industrie en de onderzoekers voerden deze bewerkingen willekeurig uit om veel verschillende frequentiecorrelaties vast te leggen. Volgens Lu is dit proces hetzelfde als het gooien van een paar zeszijdige dobbelstenen en het opnemen van hoe vaak elke combinatie van getallen verschijnt, maar nu zijn de dobbelstenen met elkaar verstrengeld.

    “Deze techniek, waarbij fasemodulatoren en pulsvormers betrokken zijn, wordt zwaar nagestreefd in de klassieke context voor ultrasnelle en breedband fotonische signaalverwerking en is uitgebreid tot de kwantumlaan van frequentiequdits,” zei Weiner.

    Om achteruit te werken en af ​​te leiden welke kwantumtoestanden frequentiecorrelaties produceerden die ideaal zijn voor qudit-toepassingen, ontwikkelden de onderzoekers een data-analysetool op basis van een statistische methode genaamd Bayesiaanse inferentie en voerden ze computersimulaties uit bij ORNL. Deze prestatie bouwt voort op het eerdere werk van het team gericht op het uitvoeren van Bayesiaanse analyses en het reconstrueren van kwantumtoestanden.

    De onderzoekers finetunen nu hun meetmethode om zich voor te bereiden op een reeks experimenten. Door signalen via optische vezels te verzenden, proberen ze kwantumcommunicatieprotocollen te testen, zoals teleportatie, een methode voor het transporteren van kwantuminformatie, en verstrengelingswisseling, wat het proces is van het verstrengelen van twee voorheen niet-verwante deeltjes.

    Karthik Myilswamy, een afgestudeerde student aan Purdue, is van plan de microringresonator naar ORNL te brengen, waardoor het team deze mogelijkheden kan testen op het kwantumnetwerk van het laboratorium.

    “Nu we een methode hebben om verstrengelde frequentie-qudits efficiënt te karakteriseren, kunnen we andere toepassingsgerichte experimenten uitvoeren,” zei Myilswamy.


    Onderzoekers bouwen een transistorachtige poort voor de verwerking van kwantuminformatie – met qudits


    Informatie:
    Hsuan-Hao Lu et al, Bayesiaanse tomografie van hoogdimensionale biphoton-frequentiekammen op de chip met gerandomiseerde metingen, Natuurcommunicatie (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31639-z

    Geleverd door Oak Ridge National Laboratory

    citaten: Nieuwe metingen die qudits kwantificeren geven een glimp van de kwantumtoekomst (2022, 13 oktober) opgehaald op 14 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-quantifying-qudits-glimpse-quantum-future.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.