MIT-forskare som använder supraledande kvantbitar anslutna till en mikrovågsöverföringsledning har visat hur kvantbitarna kan generera fotoner på begäran, eller ljuspartiklar, nödvändig för kommunikation mellan kvantprocessorer.

Framstegen är ett viktigt steg mot att uppnå de sammankopplingar som skulle göra det möjligt för ett modulärt kvantberäkningssystem att utföra operationer i hastigheter exponentiellt snabbare än vad klassiska datorer kan uppnå.

"Modulär kvantberäkning är en teknik för att nå kvantberäkning i skala genom att dela arbetsbelastningen över flera bearbetningsnoder, " säger Bharath Kannan, MIT doktorand och första författare till en artikel om detta ämne publicerad idag i Vetenskapens framsteg . "Dessa noder, dock, är i allmänhet inte samlokaliserade, så vi måste kunna kommunicera kvantinformation mellan avlägsna platser."

I klassiska datorer, ledningar används för att dirigera information fram och tillbaka genom en processor under beräkning. I en kvantdator, informationen i sig är kvantmekanisk och ömtålig, kräver nya strategier för att samtidigt bearbeta och kommunicera information.

"Supraledande qubits är en ledande teknik idag, men de stöder i allmänhet endast lokala interaktioner (närmaste granne eller qubits mycket nära). Frågan är hur man ansluter till qubits som finns på avlägsna platser, säger William Oliver, en docent i elektroteknik och datavetenskap, MIT Lincoln Laboratory-stipendiat, chef för Center for Quantum Engineering, och biträdande direktör för Research Laboratory of Electronics. "Vi behöver kvantkopplingar, idealiskt baserat på mikrovågsledare som kan styra kvantinformation från en plats till en annan."

Den kommunikationen kan ske via mikrovågsöverföringsledningen, eller vågledare, när excitationerna lagrade i qubits genererar fotonpar, som emitteras in i vågledaren och sedan reser till två avlägsna bearbetningsnoder. De identiska fotonerna sägs vara "intrasslade, " fungerar som ett system. När de reser till avlägsna bearbetningsnoder, de kan distribuera denna förveckling genom ett kvantnätverk.

"Vi genererar de intrasslade fotonerna på begäran med hjälp av qubits och släpper sedan det intrasslade tillståndet till vågledaren med mycket hög effektivitet, i huvudsak enighet, säger Oliver.

Forskningen som rapporteras i Vetenskapens framsteg papper använder en relativt enkel teknik, säger Kannan.

"Vårt arbete presenterar en ny arkitektur för att generera fotoner som är rumsligt intrasslade på ett mycket enkelt sätt, använder bara en vågledare och några få qubits, som fungerar som fotoniska sändare, " säger Kannan. "Intrasslingen mellan fotonerna kan sedan överföras till processorerna för användning i kvantkommunikation eller sammankopplingsprotokoll."

Medan forskarna sa att de ännu inte har implementerat dessa kommunikationsprotokoll, deras pågående forskning är inriktad i den riktningen.

"Vi har ännu inte utfört kommunikationen mellan processorer i det här arbetet, utan snarare visade hur vi kan generera fotoner som är användbara för kvantkommunikation och sammankoppling, " säger Kannan.

Tidigare arbete av Kannan, Oliver, och kollegor introducerade en vågledarkvantelektrodynamikarkitektur med supraledande kvantbitar som i huvudsak är en typ av konstgjord jätteatom. Den forskningen visade hur en sådan arkitektur kan utföra kvantberäkningar med låga fel och dela kvantinformation mellan processorer. Detta åstadkoms genom att justera frekvensen för qubitarna för att justera qubit-vågledarens interaktionsstyrka så att de ömtåliga qubitarna kan skyddas från vågledarinducerad dekoherens för att utföra högfientliga qubitoperationer, och sedan omjustera qubit-frekvensen så att qubitarna kan släppa ut sin kvantinformation till vågledaren i form av fotoner.

Denna artikel presenterade fotongenereringsförmågan hos vågledarkvantelektrodynamikens arkitektur, visar att qubits kan användas som kvantemitter för vågledaren. Forskarna visade att kvantinterferens mellan fotoner som emitteras in i vågledaren genererar intrasslade, ambulerande fotoner som färdas i motsatta riktningar och kan användas för långdistanskommunikation mellan kvantprocessorer.

Generering av rumsligt intrasslade fotoner i optiska system åstadkoms vanligtvis med hjälp av spontan parametrisk nedkonvertering och fotodetektorer, men den genererade intrasslingen som uppnås på det sättet är i allmänhet slumpmässig och därför mindre användbar för att möjliggöra on-demand-kommunikation av kvantinformation i ett distribuerat system.

"Modularitet är ett nyckelbegrepp i alla utbyggbara system, " säger Oliver. "Vårt mål här är att demonstrera de element av kvantsammankopplingar som borde vara användbara i framtida kvantprocessorer."