Kvantinformationsprotokoll är baserade på en mängd olika sammanfogningslägen såsom Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) och andra klusterstater. För beredning på begäran, dessa tillstånd kan realiseras med pressade ljuskällor i optik, men sådana experiment saknar mångsidighet eftersom de kräver en mängd olika optiska kretsar för att individuellt förverkliga olika sammanblandningstillstånd. I en färsk studie, Shuntaro Takeda och kollegor vid de tvärvetenskapliga avdelningarna för tillämpad fysik och teknik i Japan hanterade bristen genom att utveckla en on-demand-sammanfiltringssynthesizer. Med hjälp av den experimentella installationen, fysikerna genererade programmerbart intrasslade tillstånd från en enda pressad ljuskälla.

I arbetet, de använde en kretsbaserad krets dynamiskt styrd vid nanosekundens tidsskalor för att bearbeta optiska pulser i tidsdomänen. Forskarna genererade och verifierade fem olika småskaliga intrasslade tillstånd och ett stort kluster som innehåller mer än 1000 lägen i en enda installation utan att ändra den optiska kretsen. Kretsen utvecklad av Takeda et al. kan lagra och släppa en del av de genererade intrasslade tillstånden för att fungera som ett kvantminne. Experimentrapporten publicerad den Vetenskapliga framsteg , kommer att öppna ett nytt sätt att bygga generella sammanfiltring på begäran med hjälp av en skalbar kvantprocessor.

Trassel är avgörande för många kvantinformationsprotokoll i qubit- och kontinuerliga variabla (CV) -regioner, där de utför en mängd olika applikationer. Till exempel, två-läge Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) -tillståndet är det vanligaste, maximalt intrasslat tillstånd som en byggsten för tvåpartskvantkommunikation och för kvantlogikportar baserade på kvantteleportering. Den generaliserade versionen av detta tillstånd är en n-mode Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) stat central för att bygga ett kvantnätverk, där GHZ -kvanttillståndet kan delas mellan n deltagare. Till exempel, n -deltagarna kan kommunicera med varandra för kvanthemlig delning. För kvantberäkning å andra sidan, en speciell typ av intrassling som kallas klusterstater har väckt stor uppmärksamhet som en universell resurs för att tillåta envägskvantberäkning.

Den mest bekväma och väletablerade metoden som används för närvarande för att deterministiskt förbereda foton som trasslar in sig involverar att blanda sammanpressat ljus med stråldelare-nätverk för att generera intrassling i regimen för kontinuerlig variabel (CV). Fysiker har nyligen visat storskaliga intrasslade tillstånd genom att pressa ljuskällor multiplexerade i tidsdomänen eller frekvensdomänen. Metoden var inte mångsidig eftersom de var tvungna att designa en mängd olika optiska inställningar för att producera det specifika tillståndet av intrassling. Fysiker hade tidigare rapporterat den programmerbara karaktäriseringen av flera typer av intrassling i multimode kvanttillstånd med hjälp av efterbehandlingsmätningar eller genom att ändra mätningsunderlaget. Den direkta syntesen av en mängd olika intrasslingstillstånd i ett programmerbart, Det deterministiska sättet inom en enda ram är för närvarande en utmanande uppgift, därför.

I det nuvarande arbetet, Takeda et al. föreslog en fotonisk synthesizer på begäran för att programmerbart producera en viktig uppsättning intrasslade tillstånd för att lösa den befintliga utmaningen genom att inkludera-

1. Ett EPR -tillstånd
2. Ett GHZ-tillstånd i n-läge, och
3. Ett linjärt eller stjärnformat klusterläge i n-läge för n≥2, i en enda installation.

De baserade synthesizern på en dynamisk, styrbar fotonisk krets som behandlade optiska pulser i tidsdomänen. Med hjälp av kretsen, forskarna verifierade den programmerbara generationen av en mängd sammanfogade tillstånd. Installationen kan också lagra och släppa en del av det genererade intrasslade tillståndet för att fungera som ett kvantminne. Den nya metoden erbjuder en lovande väg till fotonisk kvantinformationsbehandling, vilket inkluderar skalbarhet och programmerbarhet.

När man bildar konceptet med en intanglement synthesizer, forskarna använde en enda pressare för att sekventiellt producera pressade optiska pulser i studien. De injicerade pulserna i en slingkrets vars rundturstid (τ) var ekvivalent med tidsintervallet mellan pulserna. Denna slinga inkluderade en stråldelare med variabel transmissivitet T (t) och en fasskiftare med variabel fasförskjutning θ (t) - där t betecknar tid. Efter överföring genom slingan, forskarna riktade pulserna till en homodyndetektor med hjälp av en avstämbar mätbasis. Kretsen kunde syntetisera en mängd olika intrasslade tillstånd från de pressade pulserna - för efterföljande analys.

För att demonstrera genereringen av programmerbar trassel, forskarna programmerade först synthesizern för att generera fem olika småskaliga intrasslade tillstånd. Dessa inkluderade ett (1) EPR -tillstånd, (2) en GHZ med tre lägen, (3) ett klusterläge i två lägen, och (4) ett par klusterstater i tre lägen. För att verifiera intrasslingstillståndet, forskarna använde temporala lägesfunktioner på homodynsignalen (vågfunktion omvandlad till en elektrisk signal) och extraherade kvadraturen hos de bredbandsoptiska pulserna för att bedöma korrelationen mellan olika pulser.

De kvantifierade korrelationsstyrkan med oskiljbarhetsparametrar som var direkt kopplade till nivån av effektiv klämning. Forskarna kunde få resultat där värdena uppfyllde de oskiljaktighetskriterier som härleddes i studien, för att demonstrera den programmerbara generationen av fem olika intrasslade tillstånd. De förklarade värdena med hjälp av den ackumulerade förlusten under pressad ljusgenerering, intrasslad syntes i öglan och under mätningar.

Ändå, experimentuppsättningen kunde inte syntetisera mer än treläges GHZ och klustertillstånd på grund av designbegränsningar för den elektrooptiska (EOM) modulatorn som drev kretsarna. Som ett resultat, forskarna syftar till att utveckla en mer sofistikerad körkrets eller bygga kaskadfler flera EOM för att öka antalet valbara transmittivitetsvärden och generera en mängd olika GHZ- och klustertillstånd nästa.

Trasselsyntetiseraren kan också producera storskaliga intrasslade tillstånd för hög skalbarhet; visas med ett endimensionellt klustillstånd. Kretsen som utvecklats av forskarna var likvärdig med klustertillståndsgenerationen som föreslogs tidigare och demonstrerades av Yokoyama et al därefter. I det nuvarande arbetet, forskarna genererade ett endimensionellt klustillstånd för mer än 1000 sammanfogningssätt. På grund av tekniska begränsningar, forskarna kunde bara mäta 1008 lägen i experimentet. Dock, i princip, denna metod har inte en teoretisk gräns för antalet intrasslade lägen som kan genereras.

Forskarna kunde inte direkt jämföra kvaliteten på dessa klustertillstånd jämfört med det tidigare schemat av Yokoyama et al. eftersom det nuvarande loopbaserade schemat var mottagligt för förluster på grund av ytterligare optiska komponenter i den experimentella installationen. Den komponentbaserade förlusten i slingan inkluderade en variabel stråldelare och fasskiftare, vilket ledde till förlustackumulering när de optiska pulserna upprepade gånger cirkulerade installationen.

Takeda et al. bildade också ett kvantminne genom att begränsa en optisk puls i den programmerbara slingkretsen. Även om möjligheten att lägga till justerbar fördröjning till icke -klassiska CV -tillstånd kan spela en nyckelroll för tidssynkronisering i en mängd olika kvantprotokoll, fysiker hade bara genomfört några kvantminnesförsök för intrasslade kontinuerliga variabel (CV) tillstånd hittills.

Medan ett loopbaserat kvantminne är ett enkelt och mångsidigt minne som inte begränsar ljusets våglängd eller kvanttillstånd, det visades bara tidigare för enstaka fotoner. Takeda et al. demonstrerade funktionaliteten i det aktuella arbetet genom att generera ett EPR -tillstånd i slingan och lagra en del av EPR -tillståndet för n -slingor för att slutligen släppa det. Forskarna kan öka livslängden för kvantminnet i installationen genom att öka slingans mekaniska stabilitet eller återkopplingssystemet för att stabilisera kvanttillståndet. De kunde lagra alla CV-kvanttillstånd i det loopbaserade minnet och inkludera även icke-gaussiska tillstånd genom att byta pressaren till andra kvantljuskällor.

På det här sättet, Takeda et al. programmerbart genererade och verifierade småskaliga och storskaliga intrasslade tillstånd och kontrollerade dynamiskt transmissiviteten hos stråldelaren, fasförskjutning och mätbasis för en slingbaserad optisk krets vid nanosekundens tidsskalor. De demonstrerade kretsens minneskapacitet genom att lagra en del av ett EPR -tillstånd i slingan. Systemet är programmerbart och mycket skalbart, erbjuder ett unikt och mångsidigt verktyg för framtida fotonisk kvantteknik.

Takeda et al. envision inbädda denna slingkrets i en större slinga för att förverkliga ett kapslat godtyckligt stråldelare -nätverk som kombinerar de ingångspressade pulserna för att syntetisera godtyckliga klustillstånd. De förutser också utökningar av denna krets till en universell kvantdator genom att inkludera en programmerbar förskjutningsoperatör baserad på homodyne-detektors signal och icke-gaussiska ljuskälla. Det nya nätverket kommer att utgöra en avgörande grund för att förverkliga dessa mål och stimulera ytterligare teoretisk och experimentell forskning inom fotonisk kvantinformationsbehandling.

© 2019 Science X Network