Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har visat en ny nivå av kontroll över fotoner kodade med kvantinformation. Deras forskning publicerades i Optica .

Joseph Lukens, Brian Williams, Nicholas Peters, och Pavel Lougovski, forskare med ORNL:s Quantum Information Science Group, utfört distinkt, oberoende operationer samtidigt på två qubits kodade på fotoner med olika frekvenser, en nyckelfunktion i linjär optisk kvantberäkning. Qubits är den minsta enheten för kvantinformation.

Kvantforskare som arbetar med frekvenskodade qubits har kunnat utföra en enda operation på två qubits parallellt, men det är kort för kvantberäkning.

"För att förverkliga universell kvantberäkning, du måste kunna utföra olika operationer på olika qubits samtidigt, och det är vad vi har gjort här, "Sa Lougovski.

Enligt Lougovski, teamets experimentella system-två intrasslade fotoner i en enda fiberoptisk kabel-är den "minsta kvantdator du kan föreställa dig. Det här dokumentet markerar den första demonstrationen av vårt frekvensbaserade tillvägagångssätt för universell kvantberäkning."

"Många forskare pratar om kvantinformationsbehandling med fotoner, och även med frekvens, "sa Lukens." Men ingen hade tänkt på att skicka flera fotoner genom samma fiberoptiska sträng, i samma utrymme, och fungerar på olika sätt. "

Teamets kvantfrekvensprocessor tillät dem att manipulera fotons frekvens för att åstadkomma superposition, ett tillstånd som möjliggör kvantoperationer och beräkning.

Till skillnad från databitar kodade för klassisk databehandling, överlagrade qubits kodade i en foton frekvens har ett värde på 0 och 1, snarare än 0 eller 1. Denna förmåga tillåter kvantdatorer att samtidigt utföra operationer på större datamängder än dagens superdatorer.

Med sin processor, forskarna visade 97 procent interferenssynlighet - ett mått på hur lika två fotoner är - jämfört med 70 procents synlighetsfrekvens som returnerades i liknande forskning. Deras resultat indikerade att fotonernas kvanttillstånd var praktiskt taget identiska.

Forskarna tillämpade också en statistisk metod i samband med maskininlärning för att bevisa att operationerna utfördes med mycket hög trohet och på ett helt kontrollerat sätt.

"Vi kunde extrahera mer information om kvanttillståndet i vårt experimentella system med Bayesiansk inferens än om vi hade använt vanligare statistiska metoder, "Sa Williams.

"Detta arbete representerar första gången vårt teams process har gett ett faktiskt kvantresultat."

Williams påpekade att deras experimentella inställningar ger stabilitet och kontroll. "När fotonerna tar olika vägar i utrustningen, de upplever olika fasförändringar, och det leder till instabilitet, "sa han." När de reser genom samma enhet, I detta fall, den fiberoptiska strängen, du har bättre kontroll. "

Stabilitet och kontroll möjliggör kvantoperationer som bevarar information, minska informationstiden, och förbättra energieffektiviteten. Forskarna jämförde sina pågående projekt, började 2016, till byggstenar som kommer att länka ihop för att möjliggöra storskalig kvantberäkning.

"Det finns steg du måste ta innan du tar nästa, mer komplicerat steg, "Peters sa." Våra tidigare projekt fokuserade på att utveckla grundläggande förmågor och gör att vi nu kan arbeta inom fullt kvantdomän med fullt kvantinmatningstillstånd. "

Lukens sa att teamets resultat visar att "vi kan kontrollera qubits kvanttillstånd, ändra sina korrelationer, och modifiera dem med standard telekommunikationsteknik på sätt som är tillämpliga på avancerad kvantberäkning. "

När väl byggstenarna för kvantdatorer är på plats, han lade till, "vi kan börja ansluta kvantanordningar för att bygga kvantinternet, vilket är nästa, spännande steg. "

Mycket på det sätt som information behandlas annorlunda från superdator till superdator, återspeglar olika utvecklare och arbetsflödesprioriteringar, kvantanordningar fungerar med olika frekvenser. Detta kommer att göra det utmanande att ansluta dem så att de kan arbeta tillsammans hur dagens datorer interagerar på internet.

Detta arbete är en förlängning av teamets tidigare demonstrationer av kvantinformationsbehandlingsmöjligheter på standard telekommunikationsteknik. Vidare, de sa, att utnyttja befintlig fiberoptisk nätverksinfrastruktur för kvantberäkning är praktiskt:miljarder dollar har investerats, och kvantinformationsbehandling representerar en ny användning.

Forskarna sa att denna "fullcirkel" -aspekt av deras arbete är mycket tillfredsställande. "Vi startade vår forskning tillsammans och ville utforska användningen av standard telekommunikationsteknik för kvantinformationsbehandling, och vi har fått reda på att vi kan gå tillbaka till den klassiska domänen och förbättra den, Sa Lukens.