Pålitliga kvantportar är den grundläggande komponenten i kvantinformationsbehandling. Men att uppnå högdimensionella enhetliga transformationer på ett skalbart och kompakt sätt med ultrahigh fidelities är fortfarande en stor utmaning.
För att lösa detta problem visar forskare i Kina upp användningen av djupa diffraktiva neurala nätverk (D 2 NNs) för att konstruera en serie högdimensionella kvantportar, som kodas av fotonernas rumsliga lägen. Detta arbete, publicerat i Light:Science &Applications , erbjuder ett nytt paradigm för quantum gate design med djupinlärning.
Quantum computing har löftet att omvandla våra metoder för informationsbehandling, och i dess kärna spelar tillförlitliga kvantlogiska grindar en viktig roll i kvantinformationsbehandling.
Även om olika typer av kvantportar har demonstrerats, är fotoniska kvantportar naturligt kompatibla med kvantkommunikation och har väckt stort intresse inom området kvantinformation.
Den inneboende oändligheten av ortogonala baser i fotonernas rumsliga lägen erbjuder ett omfattande kodningsalfabet, vilket uppmuntrar kreativitet i högdimensionell kvantinformationsbehandling. Men att uppnå högdimensionella enhetliga transformationer på ett exakt, skalbart och kompakt sätt med ultrahöga egenskaper är fortfarande en betydande utmaning.
Ett team av forskare, ledda av professor Jian Wang från Wuhan National Laboratory for Optoelectronics och School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Kina, Optics Valley Laboratory, Kina, och medarbetare har visat användningen av djup diffraktiv neurala nätverk (D 2 NNs) för att konstruera en serie högdimensionella kvantportar, som kodas av fotonernas rumsliga lägen.
De implementerade alla tredimensionella X-portar och Hadamard-portar kodade av tre Laguerre-Gaussiska lägen. Grindarna uppvisar ultrahigh fidelities upp till 99,4(3)%, vilket kännetecknas av kvantprocestomografi. De använder också en unik kodningsmetod för att koda två informationsbitar, genom att använda fyra orbital angular momentum (OAM)-lägen för en enda foton.
Med denna metod uppnådde de utbytet av OAM:s vågfronts rotationsriktning (modets tecken) enligt deras modorder. Den rekonstruerade processmatrisen för denna styrda-NOT-grind har en fidelitet på 99,6(2) %, och denna high-fidelity-grind möjliggör tillförlitliga kvantberäkningar.
De demonstrerade också användbarheten av detta tillvägagångssätt genom att framgångsrikt implementera Deutsch-algoritmen, som innebär att utföra hela 2-qubit-kvantkretsen baserat på deras experimentella konfiguration. Denna demonstration validerar potentialen i att utföra komplexa operationer eller till och med kvantkretsar.
De experimentella demonstrationerna av alla tidigare nämnda grindar visar fördelarna med litet fotavtryck, stor skalbarhet och robusthet för olika lägesbaser. Dessutom, baserat på den omkonfigurerbara fasmoduleringsenheten, är denna implementering gynnsam för intelligent driftsättning, som visar en extraordinär potential för att utföra automatiska protokoll för att realisera önskade operationer eller för att optimera den experimentella prestandan.
För att ge riktlinjer för experiment analyserade de förhållandet mellan quantum gate prestanda och olika parametrar, inklusive förlust och egenskaper hos den rumsliga ljusmodulatorn. Dessutom genomförde de en jämförande analys av D 2 NN gates prestanda mot den traditionella vågfrontsmatchningsmetoden, vilket leder till slutsatsen att vårt tillvägagångssätt avsevärt förbättrar sikten till en liten kostnad för energiförlust.
Mer information: Qianke Wang et al, Ultrahigh-fidelity spatial mode quantum grindar i högdimensionell rymd av diffraktiva djupa neurala nätverk, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01336-7
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av TranSpread
