Två fysiker vid universitetet i Konstanz utvecklar en metod som skulle kunna möjliggöra ett stabilt utbyte av information i kvantdatorer. I huvudrollen:fotoner som får kvantbitar att "flyga".
Kvantdatorer anses vara nästa stora evolutionära steg inom informationsteknologi. De förväntas lösa datorproblem som dagens datorer helt enkelt inte kan lösa – eller skulle ta evigheter att göra. Forskargrupper runt om i världen arbetar med att göra kvantdatorn till verklighet. Detta är allt annat än enkelt, eftersom grundkomponenterna i en sådan dator, kvantbitarna eller qubitarna, är extremt ömtåliga.
En typ av qubit består av det inneboende vinkelmomentet (spin) för en enskild elektron, det vill säga de är i skalan av en atom. Det är svårt nog att hålla ett så ömtåligt system intakt. Det är ännu svårare att sammankoppla två eller flera av dessa qubits. Så hur kan ett stabilt utbyte av information mellan qubits uppnås?
De två Konstanz-fysikerna Benedikt Tissot och Guido Burkard har nu utvecklat en teoretisk modell för hur informationsutbytet mellan qubits skulle kunna lyckas genom att använda fotoner som transportmedel för kvantinformation. Den allmänna tanken är att informationsinnehållet (elektronspintillstånd) i materialets qubit omvandlas till en "flygande qubit", nämligen en foton. Fotoner är ljuskvanta som utgör de grundläggande byggstenarna som utgör det elektromagnetiska strålningsfältet.
Det speciella med den nya modellen är stimulerade Raman-utsläpp som används för att omvandla qubiten till en foton. Denna procedur tillåter mer kontroll över fotonerna. "Vi föreslår ett paradigmskifte från att optimera kontrollen under genereringen av fotonen till att direkt optimera den tidsmässiga formen av ljuspulsen i den flygande qubiten", förklarar Burkard.
Tissot jämför grundproceduren med Internet:"I en klassisk dator har vi våra bitar, som är kodade på ett chip i form av elektroner. Om vi vill skicka information över långa avstånd omvandlas bitarnas informationsinnehåll. till en ljussignal som sänds genom optiska fibrer."
Principen för informationsutbyte mellan qubits i en kvantdator är väldigt lik:"Också här måste vi omvandla informationen till tillstånd som lätt kan överföras - och fotoner är idealiska för detta", förklarar Tissot.
Studien är publicerad i tidskriften Physical Review Research .
"Vi måste överväga flera aspekter", säger Tissot. "Vi vill kontrollera i vilken riktning informationen flödar – såväl som när, hur snabbt och vart den flödar till. Det är därför vi behöver ett system som möjliggör en hög nivå av kontroll."
Forskarnas metod gör denna kontroll möjlig med hjälp av resonatorförstärkta, stimulerade Raman-emissioner. Bakom denna term finns ett trenivåsystem, vilket leder till ett flerstegsprocedur. Dessa stadier ger fysikerna kontroll över fotonen som skapas. "Vi har "fler knappar" här som vi kan använda för att styra fotonen", säger Tissot.
Stimulerad Raman-emission är en etablerad metod inom fysiken. Det är dock ovanligt att använda dem för att skicka qubit-tillstånd direkt. Den nya metoden kan göra det möjligt att balansera konsekvenserna av miljöstörningar och oönskade bieffekter av snabba förändringar i ljuspulsens tidsform, så att informationstransport kan implementeras mer exakt.
Mer information: Benedikt Tissot et al, Efficient high-fidelity flying qubit shaping, Physical Review Research (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013150
Tillhandahålls av University of Konstanz
