Förvecklingen av kvantsystem är grunden för all kvantinformationsteknologi. Komplexa former av intrassling mellan flera kvantbitar är särskilt intressanta.
Detta resulterar dock inte bara i massiv datorkraft, utan också rena explosioner av formler när de beskrivs matematiskt. Den abstrakta grafiska representationen av dessa komplexa tillstånd i form av till exempel "stjärnor", "ringar" eller "träd" erbjuder en elegant förenkling.
Olivier Morins team på avdelningen för Gerhard Rempe, direktör vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, har nu för första gången lyckats skapa ett ringformat och ett trädformat graftillstånd i ett experiment. Detta är ett stort genombrott för utvecklingen av kvantdatorer eller kvantinternet.
I ett framtida kvantinternet, som Rempe länge har forskat på som en pionjär, skulle lätt kvantum därigenom kunna trasslas in för att bilda ett kvantbudskap som är mycket mer stabilt mot förluster. Verket publiceras i Nature .
Konceptet med entanglement utgör grunden för all kvantinformationsteknologi som forskas på och utvecklas, oavsett om det är kvantdatorer eller kvantinternet. Par av kvantbitar, eller korta qubitar, som är intrasslade med varandra, fungerar som grundelementet.
Du kan tänka dig ett sådant par som två LED-lampor kopplade till varandra via en kabel. Genom att koppla ihop fler och fler av dem kan längre kedjor av lampor bildas. Lamporna representerar qubits, kabelbitarna intrasslingen mellan dem. Detta gör det möjligt att skapa inte bara kedjor, utan också ringar, stjärnor eller trädformade strukturer.
Men genom att rita en bild som ser ut som juldekorationer i denna analogi kan det också vara mycket intressant för kvantinformationsbehandling, nu tillbaka i form av intrasslade qubits. "Med en stegformad konfiguration av intrasslade qubits kan till exempel en universell kvantdator byggas", förklarar Gerhard Rempe.
Hans forskningsintresse ligger i kvantinternet, där kvantinformation, förpackad i intrasslade fotoner som "flygande qubits", skickas via fiberoptiska nätverk. Den största utmaningen här är förlusten av fotoner, som ökar exponentiellt med längden på överföringen.
Som ett motgift skulle det till exempel vara smart att lägga en trädformad förveckling ovanpå en ström av fotoner som flyger efter varandra. "Du kan skriva in kvantinformation i den redundant", förklarar Rempe, "och även om bara hälften av fotonerna anlände till mottagaren, kan den fortfarande återskapa denna information."
Sett från utsidan skulle strömmen av fotoner alltid likna ett pärlband, enligt fysikern, oavsett formen på fotonernas grafiska kvanttillstånd. Den grafiska representationen som en stjärna, träd eller ring är placerad i ett abstrakt matematiskt utrymme.
Matematisk fysik utvecklade det för många år sedan för att lösa ett problem:Ju mer qubits är intrasslade med varandra, särskilt i korskopplingar, desto mer gigantiska blir de kvantmekaniska formlerna som man skulle behöva skriva ner.
Detta är i huvudsak samma exponentiella explosion som producerar beräkningskraften hos kvantbitar. Den grafiska representationen, å andra sidan, är förtjusande enkel:noder symboliserar kvantbitarna, linjer mellan dem intrasslingen.
Det som framstår som underbart elegant och enkelt i teorin är dock extremt svårt att realisera i experiment. "2007 föreställde vi oss först att vi kunde producera kvantmekaniska graftillstånd med hjälp av våra experimentella tekniker", säger Rempe.
Fysikprofessorn har ägnat decennier åt att perfektionera en process där enskilda atomer fångas mellan två mycket reflekterande speglar. Dessa optiska kaviteter kan användas för att ta itu med olika grundläggande frågor inom fysiken, såsom hur ljus interagerar med materia. En sådan hålighet verkar på atomen som två speglar mellan vilka man kan placera sig själv, ser sig själv en miljon gånger som en reflektion i en reflektion och så vidare.
När en atom väl lyser upp, d.v.s. avger en foton, "ser" den hundratusentals upplysta atomer, spegelbilder av sig själv. Detta tvingar atomen att emittera fotonen exakt i spegelaxelns riktning. En av de två speglarna är bara något genomsläpplig, som den är i en laser, och så kan fotonen fly "spegelsalen" och registreras av en detektor.
Det är först genom detta knep som forskarna vet var de ska leta efter den lilla fotonen och kan därmed placera detektorn korrekt. Atomen själv, som svävar i ett ljusfält, kan manipuleras genom de öppna ändarna av kaviteten med hjälp av lasrar och högprecisionsoptik.
2007 lyckades en doktorand för första gången få en atom att sända ut två intrasslade fotoner på detta sätt. Detta var den första gnistan för Rempe. År 2022 uppnådde Olivier Morins grupp på Rempes avdelning 12 kedjeformade och 14 stjärnformade intrasslade fotoner – ett världsrekord.
Men matematiskt sett var dessa bara endimensionella graftillstånd, inklusive "stjärnan". För att komma fram till ringar eller träd behövdes en andra dimension, ett "område" i det abstrakta utrymmet av graftillstånd.
Teamet fångade två rubidium-87-atomer i den optiska kaviteten och förberedde ett endimensionellt graftillstånd med båda atomerna, där atomen är intrasslad med många fotoner. Genom en gemensam mätning på båda atomerna "fuseras" sedan de två fysiskt separata atomära qubits till en enda "logisk" qubit. Detta genererar sedan ett tvådimensionellt graftillstånd.
På så sätt har det varit möjligt att smälta enkla fotonkedjor till ett trädformat graftillstånd, till exempel, och på så sätt generera komplexa intrasslingsmönster lämpliga för sofistikerade tillämpningar.
"Konsekvenserna är gigantiska", säger Rempe angående detta genombrott efter ett nästan decennium långt vetenskapligt maraton. "En helt ny forskargemenskap håller på att bildas kring ämnet."
Mer information: Philip Thomas et al, Fusion av deterministiskt genererade fotoniska graftillstånd, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07357-5
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Max Planck Society
