Ett team av forskare ledda av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har demonstrerat en ny metod för att dela upp ljusstrålar i sina frekvenslägen. Forskarna kan sedan välja de frekvenser de vill arbeta med och koda fotoner med kvantinformation. Deras arbete kan stimulera framsteg inom kvantinformationsbehandling och distribuerad kvantberäkning.

Teamets resultat publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Ljusets frekvens avgör dess färg. När frekvenserna separeras, som i en regnbåge, varje färgfoton kan kodas med kvantinformation, levereras i enheter som kallas qubits. Qubits är analoga med men skiljer sig från klassiska bitar, som har värdet antingen 0 eller 1, eftersom qubits är kodade med värden på både 0 och 1 samtidigt.

Forskarna liknar kvantinformationsbehandling med att kliva in i en hall och kunna gå åt båda hållen, medan i klassisk datoranvändning bara en väg är möjlig.

Teamets nya tillvägagångssätt – med den första demonstrationen av en frekvenstritter, ett instrument som delar upp ljus i tre frekvenser – returnerade experimentella resultat som matchade deras förutsägelser och visade att många kvantinformationsbearbetningsoperationer kan köras samtidigt utan ökande fel. Kvantsystemet fungerade som förväntat under allt mer komplexa förhållanden utan att försämra den kodade informationen.

"Under våra experimentella förhållanden, vi fick en faktor 10 bättre än typiska felfrekvenser, sa Nicholas Peters, Teamledare för Quantum Communications för ORNL:s Quantum Information Science Group. "Detta etablerar vår metod som en föregångare för högdimensionell frekvensbaserad kvantinformationsbehandling."

Fotoner kan bära kvantinformation i superpositioner - där fotoner samtidigt har flera bitvärden - och närvaron av två kvantsystem i superposition kan leda till intrassling, en nyckelresurs inom kvantberäkning.

Entanglement ökar antalet beräkningar en kvantdator kan köra, och teamets fokus på att skapa mer komplexa frekvenstillstånd syftar till att göra kvantsimuleringar mer kraftfulla och effektiva. Forskarnas metod är också anmärkningsvärd eftersom den visar Hadamard-porten, en av de elementära kretsarna som krävs för universell kvantberäkning.

"Vi kunde visa extremt högtrogna resultat direkt, vilket är mycket imponerande för optiken, sade Pavel Lougovski, projektets huvudutredare. "Vi skapar ett underfält här på ORNL med vårt frekvensbaserade kodningsarbete."

Metoden drar nytta av allmänt tillgänglig telekommunikationsteknik med hyllplanskomponenter samtidigt som den ger resultat med hög kvalitet. Ansträngningar för att utveckla kvantrepeterare, som förlänger avståndet kvantinformation kan överföras mellan fysiskt separerade datorer, kommer att dra nytta av detta arbete.

"Det faktum att vår metod är telekomnätverkskompatibel är en stor fördel, Lougovski sa. "Vi kan utföra kvantoperationer på telekomnätverk om det behövs."

Peters tillade att deras projekt visar att oanvänd fiberoptisk bandbredd kan utnyttjas för att minska beräkningstiden genom att köra operationer parallellt.

"Vårt arbete använder frekvensens främsta fördel - stabilitet - för att få mycket hög trohet och sedan göra kontrollerade frekvenshopp när vi vill, " sa Wigner Fellow Joseph Lukens, som ledde ORNL-experimentet. Forskarna har experimentellt visat att kvantsystem kan transformeras för att ge önskad effekt.

Forskarna föreslår att deras metod skulle kunna kopplas ihop med befintlig stråldelningsteknik, dra fördel av bådas styrkor och föra det vetenskapliga samfundet närmare full användning av frekvensbaserad fotonisk kvantinformationsbehandling.

Peters, Lougovski och Lukens, alla fysiker med ORNL:s Quantum Information Science Group, samarbetade med doktoranden Hsuan-Hao Lu, professor Andrew Weiner, och kollegor vid Purdue University. Teamet publicerade teorin för sina experiment i Optica i januari 2017.