Vissa mäktiga härskare i världen kan drömma om möjligheten att komma i kontakt med sina kollegor på olika kontinenter obemärkt av vänner eller fiender. Någon dag, ny kvantteknik kan göra att dessa önskningar går i uppfyllelse. Fysiker runt om i världen arbetar med att förverkliga storskaliga kvantnätverk i vilka enkla ljuskvanta överför (hemlig) kvantinformation till stationära noder på stora avstånd. Sådana kvantnätverks grundläggande byggstenar är, till exempel, kvantupprepare som motverkar förlust av kvantinformation över stora avstånd, eller kvantlogikportar som är nödvändiga för behandling av kvantinformation.

Nu, ett team av forskare kring professor Gerhard Rempe, direktör vid Max Planck Institute of Quantum Optics och chef för Quantum Dynamics Division, har visat genomförbarheten ett nytt koncept för en kvantport ( Phys. Rev. X 8, 011018, 6 februari 2018). Här, fotoner som träffar en optisk kavitet förmedlar en interaktion mellan två atomer som är fångade inuti. Denna interaktion är grunden för att utföra karakteristiska portoperationer mellan atomerna, till exempel operationen som en CNOT -grind eller generering av trassel. Den nya metoden erbjuder en mängd fördelar:till exempel portoperationerna sker inom mikrosekunder vilket är en tillgång för kvantinformationsbehandling. Också, grindmekanismen kan appliceras på andra experimentella plattformar, och två-atom-grinden kan fungera som en byggsten i en kvantrepeterare.

Experimentets kärnelement (se figur 1) är en asymmetrisk optisk resonator med hög finess, bestående av en högreflekterande spegel (vänster) och en spegel med en ändlig överföring (höger). Två elektriskt neutrala rubidiumatomer är fångade i mitten av hålrummet. Varje atom bär en qubit, dvs kvantinformation som är kodad i superpositionen av två stabila jordtillstånd som motsvarar de klassiska bitarna "0" och "1." "Ett av marktillstånden är i resonans med hålighetens ljusfält. Därför, atomer och hålrum bildar ett starkt kopplat system, "Stephan Welte förklarar, som arbetar med experimentet för sin doktorsavhandling. "Det är därför atomerna kan prata med varandra. Denna process kan inte ske i fritt utrymme."

För att köra porten, enstaka fotoner skickas till den halvtransparenta spegeln. Sedan, beroende på atomernas initialtillstånd, olika scenarier är möjliga. "När båda atomerna är i icke-kopplingsläge kan fotonet komma in i hålrummet, och en stående ljusvåg mellan de två speglarna byggs upp, "säger Bastian Hacker, en annan doktorand på experimentet. "Atomerna kan kommunicera via detta ljusfält:om det är närvarande, fasen hos de lagrade qubits roteras 180 grader. "I alla andra fall, om en eller båda atomerna är i resonans med kavitetslägena, fotonen blockeras från hålrummet, och atomernas tillstånd förvärvar inte ett fasskifte.

Dessa effekter används för att utföra grundläggande matematiska operationer (kvantportar) mellan de två atomerna, som demonstreras av Garching -teamet med två karakteristiska grindoperationer. Å ena sidan, forskarna visar att deras experimentella inställning kan fungera som en typisk C (onrolled) NOT gate:här avgör ingångstillståndet för (kontroll) qubit om den andras (målets) tillstånd ändras eller inte. För att visa denna funktion, grindoperationen utförs på en uppsättning av fyra ortogonala ingångstillstånd, och i varje fall bestäms det resulterande utgångstillståndet. Från dessa mätningar härleds en tabell som liknar en klassisk XOR -grind.

Å andra sidan, i en annan serie mätningar bevisar forskarna skapandet av kvantintrasslade utgångstillstånd från två initialt oberoende atomer. "För detta ändamål, atomerna bereds i en sammanhängande överlagring av båda grundtillstånden, "Stephan Welte påpekar." Därför, båda fallen-att fotonen kommer in i hålrummet och att det avvisas-överlagras kvantmekaniskt, och portoperationen leder till att atomerna trasslar in sig. "

"Mekanismen som ligger bakom grindoperationen är mycket enkel och elegant eftersom den bara består av ett fysiskt steg. I motsats till andra grindmekanismer spelar avståndet mellan qubiterna - i vårt fall 2 till 12 mikrometer - ingen roll alls, "Bastian Hacker betonar." Dessutom, vår grind förlitar sig inte på den specifika plattformen för rubidiumatomer. Det kan lika väl appliceras på många andra typer av atomer, joner eller, till exempel, solid state quantum dots som bär kvantinformation. "Professor Gerhard Rempe föreställer sig även ytterligare förlängningar av systemet." Vi överväger att placera flera atomer, istället för bara två, in i hålrummet. Vår grindmekanism kan fungera på många av dem samtidigt. "I ett storskaligt kvantnätverk, multi-qubit noder kan fungera som små kvantdatorer som utför grundläggande beräkningar och skickar sina resultat till andra noder.