Forskning från McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis har hittat en saknad bit i pusslet med optisk kvantberäkning.

Jung-Tsung Shen, docent vid Institutionen för el- och systemteknik, har utvecklat en deterministisk, högfientlig tvåbitars kvantlogikgrind som drar fördel av en ny form av ljus. Denna nya logiska grind är storleksordningar effektivare än den nuvarande tekniken.

"I det ideala fallet, troheten kan vara så hög som 97 %, " sa Shen.

Hans forskning publicerades i maj 2021 i tidskriften Fysisk granskning A .

Potentialen hos kvantdatorer är bunden till de ovanliga egenskaperna hos superposition – förmågan hos ett kvantsystem att innehålla många distinkta egenskaper, eller stater, samtidigt – och sammantrassling – fungerar två partiklar som om de är korrelerade på ett icke-klassiskt sätt, trots att de fysiskt har tagits bort från varandra.

Där spänning bestämmer värdet på en bit (en 1 eller en 0) i en klassisk dator, forskare använder ofta individuella elektroner som "qubits, " kvantekvivalenten. Elektroner har flera egenskaper som passar dem väl för uppgiften:de är lätta att manipulera av ett elektriskt eller magnetiskt fält och de interagerar med varandra. Interaktion är en fördel när du behöver två bitar för att vara intrasslad - släpper ut vildmarken av kvantmekaniken manifest.

Men deras benägenhet att interagera är också ett problem. Allt från strömagnetiska fält till kraftledningar kan påverka elektroner, gör dem svåra att verkligen kontrollera.

Under de senaste två decennierna, dock, vissa forskare har försökt använda fotoner som qubits istället för elektroner. "Om datorer ska ha en verklig inverkan, vi måste undersöka hur vi skapar plattformen med hjälp av ljus, " sa Shen.

Fotoner har ingen avgift, vilket kan leda till motsatta problem:de interagerar inte med miljön som elektroner, men de interagerar inte heller med varandra. Det har också varit utmanande att konstruera och skapa ad hoc (effektiva) inter-fotoninteraktioner. Eller så var det traditionella tänkandet.

För mindre än ett decennium sedan, forskare som arbetade med detta problem upptäckte att även om de inte var intrasslade när de gick in i en logisk port, handlingen att mäta de två fotonerna när de lämnade fick dem att bete sig som om de hade varit. Mätningens unika egenskaper är en annan vild manifestation av kvantmekaniken.

"Kvantmekanik är inte svårt, men den är full av överraskningar, "Sa Shen.

Mätningsupptäckten var banbrytande, men inte riktigt spelförändrande. Det beror på att för varje 1 000, 000 fotoner, bara ett par trasslade in sig. Forskare har sedan dess varit mer framgångsrika, men, Shen sa, "Det är fortfarande inte tillräckligt bra för en dator, " som måste utföra miljontals till miljarder operationer per sekund.

Shen kunde bygga en tvåbitars kvantlogikgrind med sådan effektivitet på grund av upptäckten av en ny klass av kvantfotoniska tillstånd - fotoniska dimerer, fotoner intrasslade i både rymden och frekvensen. Hans förutsägelse om deras existens validerades experimentellt 2013, och han har sedan dess hittat tillämpningar för denna nya form av ljus.

När en enda foton går in i en logisk grind, inget anmärkningsvärt händer – det går in och ut. Men när det finns två fotoner, "Det var då vi förutspådde att de två kunde skapa ett nytt tillstånd, fotoniska dimerer. Det visar sig att denna nya stat är avgörande."

Matematiskt, det finns många sätt att designa en logisk grind för två-bitars operationer. Dessa olika design kallas likvärdiga. Den specifika logiska grinden som Shen och hans forskargrupp designade är den kontrollerade fasgrinden (eller den kontrollerade Z-grinden). Den huvudsakliga funktionen för den styrda fasgrinden är att de två fotoner som kommer ut är i det negativa tillståndet av de två fotoner som gick in.

"I klassiska kretsar, det finns inget minustecken, " sa Shen. "Men i kvantberäkning, det visar sig att minustecknet finns och är avgörande."

När två oberoende fotoner (som representerar två optiska qubits) går in i den logiska grinden, "Utformningen av den logiska grinden är sådan att de två fotonerna kan bilda en fotonisk dimer, "Shen sa. "Det visar sig att det nya kvantfotoniska tillståndet är avgörande eftersom det gör det möjligt för utgångstillståndet att ha det korrekta tecknet som är väsentligt för de optiska logiska operationerna."

Shen har arbetat med University of Michigan för att testa sin design, som är en solid-state logic gate - en som kan fungera under måttliga förhållanden. Än så länge, han säger, resultaten verkar positiva.

Shen säger detta resultat, samtidigt förbryllande för de flesta, är klar som dagen för de som vet.

"Det är som ett pussel, " sa han. "Det kan vara komplicerat att göra, men när det väl är klart, bara genom att titta på det, du kommer att veta att det är korrekt."