Kvantdatorer, maskiner som utnyttjar kvanttillstånd för att utföra beräkningar och lagra data, kan snart revolutionera datorindustrin och uppnå betydligt högre hastigheter och prestanda än befintliga datorer. Medan otaliga företag världen över, inklusive Google och IBM såväl som mindre nystartade företag, har börjat arbeta med kvantteknologier, är den exakta arkitekturen som kommer att leda till deras massproduktion oklart.

Forskare vid Leibniz University Hannover har nyligen genomfört en teoretisk studie som undersöker möjligheten att realisera flygande qubit-grindar för kvantdatorer som är okänsliga för vågformer av fotoner, och som även bevarar dessa former helt under bearbetning. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , skulle kunna fungera som grunden för utvecklingen av nya grindar som kan bearbeta intrasslade fotoniska vågpaket mer effektivt än oentrasslade.

"Det finns flera kandidatarkitekturer för utvecklingen av kvantteknologi, inklusive supraledare, jonfällor, solid state, optiska och så vidare", säger Ihar Babushkin, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Oavsett vilken arkitektur vi anser kommer fotoner, ljusets kvanta, att spela en viktig roll, eftersom mediatorerna mellan kvantinformationsbitar (qubits) i nästan alla arkitekturer är fotoner."

Optiska kvantdatorer stannar här separat, eftersom fotonerna inte bara förmedlar interaktion mellan kvantbitarna; de är också qubits själva. Eftersom fotonerna inte påverkas av dekoherens (dvs. en process genom vilken miljön interagerar med qubits och ändrar deras kvanttillstånd, vilket orsakar förlust av information de lagrar), är de idealiska för att säkert bära kvantinformation.

"För fotoner är dekoherens inte ett problem eftersom fotoner inte interagerar med fotoner och knappt interagerar med materia," förklarade Babushkin. "Detta blir dock ett problem så fort vi vill manipulera fotoner:bristen på interaktion gör det svårt att manipulera fotoner och gör det därför svårt att utföra kvantberäkningar. Trots detta fortsätter team världen över att bedriva forskning i denna riktning, eftersom fotoniska informationsbehandling är extremt attraktiv, om den kan realiseras, eftersom den kan göras vid rumstemperatur."

Ett befintligt tillvägagångssätt för fotonisk informationsbehandling är känt som "mätningsbaserad beräkning". Detta tillvägagångssätt kräver bara linjära element, såsom stråldelare och mätning av hjälpfotoner.

En alternativ metod är koherent fotonkonvertering (CPC). Detta är en teknik som förstärker icke-linjära optiska interaktioner, processer genom vilka fyra vågor blandas mellan fotoner, med hjälp av ytterligare en kraftfull laserstråle.

Trots deras skillnader har dessa två olika tillvägagångssätt en gemensam begränsning. Specifikt kräver de båda, som man trodde fram till nu, ingångsfotoner som är "identiska" (dvs. omöjliga att särskilja och okorrelerade med varandra i tid och rum).

"Detta krav behövs eftersom fotoner annars blir urskiljbara och bryter deras kvantinterferens", sa Babushkin. "Detta är en allvarlig begränsning, eftersom det kräver att alla fotoner produceras med helt oberoende men identiska fotonkällor. Att producera många identiska fotoner är inte en lätt uppgift."

I sin uppsats visade Babushkin och hans kollegor att detta kunde uppnås med en variant av CPC-metoden. Mer specifikt visade de teoretiskt att CPC kunde användas för att realisera flygande qubit-grindar som fungerar lika bra för korrelerade, icke-identiska, urskiljbara fotoner, och bevarar deras spatio-temporala fotoniska egenskaper under drift. För att göra detta använde de en variant av en CPC-metod som föreslagits av ett team vid Macquarie University och Imperial College.

"I detta tillvägagångssätt sprider sig både de interagerande fotonerna och den starka laserpumpen med olika hastigheter och möts någon gång," sa Babushkin. "Vi visade att i det här fallet uppträder fotoninteraktionen i form av en skarp interaktionsfront, som kan vara så liten som hundratals attosekunder i tiden (en attosekund är 10 ^-18 sekund) och några nanometer i rymden. Storleken på denna front bestäms av den maximala hastighet med vilken atomer kan reagera på den optiska excitationen."

Babushkin och hans kollegor visade att med deras tillvägagångssätt, så snart vågformen (dvs. pulsformen) för de interagerande fotonerna är mycket större än attosekundskalan, vilket alltid är fallet för optiska frekvenser, är de separata delarna av de fotoniska vågformerna behandlas självständigt. Som ett resultat förblir vågformen för fotonerna i systemet orörd.

"Vi tror att vår främsta prestation är att vi visade att det är möjligt att skapa grindar som fungerar på ett vågformsoberoende, vågformstolerant sätt", sa Babushkin. "En sådan möjlighet var inte uppenbar, tvärtom trodde man att sådana portar var omöjliga."

I framtiden kan hypotesen som introducerats av detta team av forskare testas experimentellt i labbet för att bekräfta om deras teoretiska förutsägelser är sanna. Om de är det kan deras arbete bana väg för utvecklingen av bättre presterande fotoniska informationsbehandlingssystem.

"Som nästa steg i vår forskning kommer vi att försöka experimentellt realisera de teoretiska föreställningarna vi introducerade," tillade Babushkin. "Om vi ​​lyckas kommer vi att utöka vårt single-gate-resultat till hela ramverket där alla beräkningar görs på det vågformstoleranta sättet. I en längre framtid kan detta leda till enklare realisering av rent fotoniska kvantdatorer." + Utforska vidare

Skräddarsydda enkla fotoner:Optisk kontroll av fotoner som nyckeln till ny teknik

© 2022 Science X Network