Kvantinformationsbehandling lovar att vara mycket snabbare och säkrare än vad dagens superdatorer kan uppnå, men finns inte ännu eftersom dess byggstenar, qubits, är notoriskt instabila.

Forskare vid Purdue -universitetet är bland de första som byggde en port - vad kan vara en kvantversion av en transistor, används i dagens datorer för behandling av information - med qudits. Medan qubits endast kan existera i superpositioner med 0 och 1 stater, qudits finns i flera tillstånd, till exempel 0 och 1 och 2. Fler tillstånd innebär att mer data kan kodas och bearbetas.

Porten skulle inte bara vara mer effektivt än qubit -grindar, men också mer stabil eftersom forskarna packade quditsna i fotoner, ljuspartiklar som inte lätt störs av sin omgivning. Forskarnas resultat visas i npj Quantum Information.

Porten skapar också ett av de största intrasslade tillstånden för kvantpartiklar hittills - i detta fall, fotoner. Förträngning är ett kvantfenomen som gör att mätningar på en partikel automatiskt kan påverka mätningar på en annan partikel, ge möjligheten att göra kommunikation mellan parter obrytbar eller att teleportera kvantinformation från en punkt till en annan, till exempel.

Ju mer trassel i det så kallade Hilbert-rummet-det område där kvantinformationsbehandling kan äga rum-desto bättre.

Tidigare fotoniska tillvägagångssätt kunde nå 18 qubits kodade i sex intrasslade fotoner i Hilbert -rymden. Purdue -forskare maximerade trassel med en grind med fyra qudits - motsvarande 20 qubits - kodade i endast två fotoner.

I kvantkommunikation, mindre är mer. "Fotoner är dyra i kvantitet eftersom de är svåra att generera och kontrollera, så det är idealiskt att packa så mycket information som möjligt i varje foton, "sade Poolad Imany, en postdoktor vid Purdues School of Electrical and Computer Engineering.

Teamet uppnådde mer intrassling med färre fotoner genom att koda en qudit i tidsdomänen och den andra i frekvensdomänen för var och en av de två fotonerna. De byggde en grind med de två quditerna som kodas i varje foton, för totalt fyra qudits i 32 dimensioner, eller möjligheter, av både tid och frekvens. Ju fler dimensioner, desto mer intrassling.

Med utgångspunkt från två fotoner som är intrasslade i frekvensdomänen och sedan använder porten för att trassla ihop tid och frekvensdomäner för varje foton genererar fyra helt intrasslade qudits, som upptar ett Hilbert -utrymme på 1, 048, 576 mått, eller 32 till fjärde kraften.

Vanligtvis, grindar byggda på fotoniska plattformar för att manipulera kvantinformation som kodas i separata fotoner fungerar bara en del av tiden eftersom fotoner naturligtvis inte interagerar med varandra särskilt bra, vilket gör det extremt svårt att manipulera tillståndet för en foton baserat på tillståndet hos en annan. Genom att koda kvantinformation i fotons tids- och frekvensdomäner, Purdue -forskare gjorde driften av kvantporten deterministisk till skillnad från probabilistisk.

Teamet implementerade porten med en uppsättning standardutrustning som används dagligen inom den optiska kommunikationsindustrin.

"Med den här porten kan vi manipulera information på ett förutsägbart och deterministiskt sätt, vilket innebär att den kan utföra de åtgärder som är nödvändiga för vissa uppgifter om kvantinformationsbehandling, "sade Andrew Weiner, Purdues Scifres Family Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering, vars laboratorium är specialiserat på ultrasnabb optik.

Nästa, laget vill använda porten i kvantkommunikationsuppgifter som högdimensionell kvantteleportation samt för att utföra kvantalgoritmer i applikationer som kvantmaskininlärning eller simulering av molekyler.