Ett team från Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory har genomfört en rad experiment för att få en bättre förståelse för kvantmekanik och driva framsteg inom kvantnätverk och kvantberäkning, vilket kan leda till praktiska tillämpningar inom cybersäkerhet och andra områden.

ORNL -kvantforskare Joseph Lukens, Pavel Lougovski, Brian Williams, och Nicholas Peters - tillsammans med medarbetare från Purdue University och Technological University of Pereira i Colombia - sammanfattade resultaten från flera av deras senaste akademiska uppsatser i ett specialnummer av Optical Society's Optik &fotonik Nyheter , som visade några av de viktigaste resultaten från optikrelaterad forskning 2019. Deras post var en av 30 utvalda för publicering från en pool av 91.

Konventionella dator "bitar" har ett värde av antingen 0 eller 1, men kvantbitar, kallas "qubits, "kan existera i en superposition av kvanttillstånd märkta 0 och 1. Denna förmåga gör kvantsystem lovande för överföring, bearbetning, lagring, och kryptering av enorma mängder information med oöverträffade hastigheter.

För att studera fotoner - enstaka ljuspartiklar som kan fungera som qubits - använde forskarna ljuskällor som kallas kvantoptiska frekvenskammar som innehåller många exakt definierade våglängder. Eftersom de färdas med ljusets hastighet och inte interagerar med sin omgivning, fotoner är en naturlig plattform för att transportera kvantinformation över långa avstånd.

Interaktioner mellan fotoner är notoriskt svåra att framkalla och kontrollera, men dessa funktioner är nödvändiga för effektiva kvantdatorer och kvantportar, som är kvantkretsar som arbetar på qubits. Ej existerande eller oförutsägbara fotoniska interaktioner gör tvåfotonkvantportar mycket svårare att utveckla än standardfotonportar, men forskarna nådde flera viktiga milstolpar i de senaste studierna som tog itu med dessa utmaningar.

Till exempel, de gjorde justeringar av befintlig telekommunikationsutrustning som används inom optikforskning för att optimera dem för kvantfotonik. Deras resultat avslöjade nya sätt att använda dessa resurser för både traditionell och kvantkommunikation.

"Att använda denna utrustning för att manipulera kvanttillstånd är den tekniska grunden för alla dessa experiment, men vi förväntade oss inte att kunna röra oss åt andra hållet och förbättra klassisk kommunikation genom att arbeta med kvantkommunikation, "Lukens sa." Dessa intressanta och oväntade fynd har dykt upp när vi fördjupar oss djupare i detta forskningsområde. "

Ett sådant verktyg, en frekvensstrålesplitter, delar upp en enda ljusstråle i två frekvenser, eller färger, av ljus.

"Tänk dig att du har en ljusstråle som går ner i en optisk fiber som har en viss frekvens, säga, röd, "Sade Lukens." Då, efter att ha gått igenom frekvensstrålesplittern, fotonen lämnar som två frekvenser, så det blir både rött och blått. "

Medlemmarna i detta team var de första forskarna som framgångsrikt konstruerade en kvantfrekvensstrålesplitter med standard ljusvågskommunikationsteknik. Denna enhet tar in röda och blå fotoner samtidigt, producerar sedan energi i antingen den röda eller den blå frekvensen. Genom att använda denna metod för att avsiktligt ändra fotons frekvenser, laget lurade de envisa partiklarna till fördelaktiga interaktioner baserade på kvantinterferens, fenomenet fotoner som stör deras egna banor.

"Det visade sig att enheter från hyllan kan leverera imponerande kontroll på enfotonnivå, som folk inte visste var möjligt, "Sa Lougovski.

Dessutom, forskarna genomförde den första demonstrationen av en frekvenstritter, som delar upp en ljusstråle i tre olika frekvenser istället för två. Deras resultat indikerade att flera kvantinformationsbehandlingsoperationer kan köras samtidigt utan att det införs fel eller skadar data.

En annan viktig prestation var teamets design och demonstration av en slump-baserad kontrollerad INTE grind, vilket gör att en foton kan styra ett frekvensskifte i en annan foton. Denna enhet slutförde en universell kvantportsats, vilket betyder att vilken kvantalgoritm som helst kan uttryckas som en sekvens inom dessa grindar.

"Quantum computing -applikationer kräver mycket mer imponerande kontrollnivåer än någon form av klassisk dator, "Sa Lougovski.

Teamet kodade också kvantinformation i flera oberoende värden som kallas frihetsgrader inom en enda foton, vilket gjorde det möjligt för dem att observera kvantinviklingsliknande effekter utan att behöva två separata partiklar. Förträngning involverar vanligtvis två länkade partiklar där förändringar som görs i tillståndet för en partikel också gäller den andra.

Till sist, forskarna har genomfört kvantsimuleringar av fysiska problem i verkligheten. I samarbete med forskare vid Air Force Research Laboratory, de utvecklas nu små, specialiserade kiselchips som liknar de som är vanliga inom mikroelektronik i strävan efter ännu bättre fotonisk prestanda.

"I teorin, vi kan få alla dessa operationer till ett enda fotoniskt chip, och vi ser mycket potential för att göra liknande kvantexperiment på denna nya plattform, "Lukens sa." Det är nästa steg för att verkligen föra denna teknik framåt. "

Framtida kvantdatorer kommer att tillåta forskare att simulera otroligt komplexa vetenskapliga problem som skulle vara omöjliga att studera på nuvarande system, även superdatorer. Sålänge, teamets resultat kan hjälpa forskare att bädda in fotoniska system i nuvarande högpresterande datorresurser.

"Vi har ett väldigt mångsidigt och begåvat team, "Lougovski sa." Det viktigaste är att vi får resultat. "