För första gången, forskare har visat ett sätt att kartlägga och mäta storskalig fotonisk kvantkorrelation med enfotonkänslighet. Möjligheten att mäta tusentals instanser av kvantkorrelation är avgörande för att göra fotonbaserad kvantberäkning praktisk.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, en multinstitutionell grupp forskare rapporterar om den nya mättekniken, som kallas korrelation på rumsligt mappad bild på fotonivå (COSPLI). De utvecklade också ett sätt att upptäcka signaler från enstaka fotoner och deras korrelationer i tiotals miljoner bilder.

"COSPLI har potential att bli en mångsidig lösning för mätning av kvantpartiklar i storskaliga fotoniska kvantdatorer, "sade forskargruppsledaren Xian-Min Jin, från Shanghai Jiao Tong University, Kina. "Detta unika tillvägagångssätt skulle också vara användbart för kvantsimulering, kvantkommunikation, kvantavkänning och biomedicinsk bildbehandling med en foton. "

Interagerande fotoner

Quantum computing technology lovar att vara betydligt snabbare än traditionell computing, som läser och skriver data kodade som bitar som antingen är noll eller en. Istället för bitar, kvantberäkning använder qubits som kan vara i två tillstånd samtidigt och kommer att interagera, eller korrelera, med varandra. Dessa qubits, som kan vara en elektron eller foton, låta många processer utföras samtidigt.

En viktig utmaning i utvecklingen av kvantdatorer är att hitta ett sätt att mäta och manipulera de tusentals qubits som behövs för att bearbeta extremt stora datamängder. För fotonbaserade metoder, antalet qubits kan ökas utan att använda fler fotoner genom att öka antalet lägen som kodas i fotoniska frihetsgrader - till exempel polarisering, frekvens, tid och plats - mätt för varje foton. Detta gör att varje foton kan visa mer än två lägen, eller stater, samtidigt. Forskarna använde tidigare denna metod för att tillverka världens största fotoniska kvantchips, som kan ha ett statligt utrymme som motsvarar tusentals qubits.

Dock, att införliva de nya fotoniska kvantchipsen i en kvantdator kräver att alla lägen och deras fotoniska korrelationer mäts på en-fotonnivå. Tills nu, det enda sättet att åstadkomma detta skulle vara att använda en en-fotondetektor för varje läge som visas av varje foton. Detta skulle kräva tusentals enkelfotondetektorer och kosta cirka 12 miljoner dollar för en enda dator.

"Det är ekonomiskt omöjligt och tekniskt utmanande att ta itu med tusentals lägen samtidigt med en-fotondetektorer, "sa Jin." Detta problem utgör en avgörande flaskhals för att förverkliga en storskalig fotonisk kvantdator. "

Enfotonkänslighet

Även om kommersiellt tillgängliga CCD-kameror är känsliga för enstaka fotoner och mycket billigare än enfotondetektorer, signalerna från enskilda fotoner döljs ofta av stora mängder brus. Efter två års arbete, forskarna utvecklade metoder för att undertrycka bruset så att enstaka fotoner kunde detekteras med varje pixel av en CCD -kamera.

Den andra utmaningen var att bestämma en enda foton polarisering, frekvens, tid och plats, var och en kräver en annan mätteknik. Med COSPLI, de fotoniska korrelationerna från andra lägen kartläggs alla till det rumsliga läget, vilket gör det möjligt att mäta alla lägen med CCD -kameran.

För att demonstrera COSPLI, forskarna använde sitt tillvägagångssätt för att mäta ledspektra för korrelerade fotoner i tio miljoner bildramar. De rekonstruerade spektren överensstämde väl med teoretiska beräkningar, på så sätt demonstrerar tillförlitligheten hos mät- och kartläggningsmetoden såväl som enfotondetekteringen. Forskarna arbetar nu med att förbättra bildhastigheten för systemet från tiotals till miljontals bilder per sekund.

"Vi vet att det är väldigt svårt att bygga en praktisk kvantdator, och det är ännu inte klart vilket genomförande som blir bäst, "sa Jin." Detta arbete tillför förtroende för att en kvantdator baserad på fotoner kan vara en praktisk väg framåt. "