Un team di ricercatori guidati dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha dimostrato un nuovo metodo per suddividere i fasci di luce nelle loro modalità di frequenza. Gli scienziati possono quindi scegliere le frequenze con cui vogliono lavorare e codificare i fotoni con informazioni quantistiche. Il loro lavoro potrebbe stimolare progressi nell'elaborazione delle informazioni quantistiche e nel calcolo quantistico distribuito.

I risultati del team sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .

La frequenza della luce ne determina il colore. Quando le frequenze sono separate, come in un arcobaleno, ogni fotone di colore può essere codificato con informazioni quantistiche, consegnato in unità note come qubit. I qubit sono analoghi ma diversi dai bit classici, che hanno un valore di 0 o 1, perché i qubit sono codificati con valori di 0 e 1 contemporaneamente.

I ricercatori paragonano l'elaborazione delle informazioni quantistiche all'entrare in un corridoio ed essere in grado di andare in entrambe le direzioni, mentre nell'informatica classica è possibile un solo percorso.

Il nuovo approccio del team, con la prima dimostrazione di un tritter di frequenza, uno strumento che divide la luce in tre frequenze:ha restituito risultati sperimentali che corrispondevano alle loro previsioni e hanno mostrato che molte operazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche possono essere eseguite contemporaneamente senza aumentare l'errore. Il sistema quantistico ha funzionato come previsto in condizioni sempre più complesse senza degradare le informazioni codificate.

"Nelle nostre condizioni sperimentali, abbiamo ottenuto un fattore 10 migliore dei tassi di errore tipici, " ha detto Nicholas Peters, Il team di Quantum Communications è a capo del Quantum Information Science Group di ORNL. "Questo stabilisce il nostro metodo come un precursore per l'elaborazione delle informazioni quantistiche ad alta frequenza basata sulla frequenza".

I fotoni possono trasportare informazioni quantistiche in sovrapposizioni, dove i fotoni hanno contemporaneamente più valori di bit, e la presenza di due sistemi quantistici in sovrapposizione può portare all'entanglement, una risorsa chiave nell'informatica quantistica.

L'entanglement aumenta il numero di calcoli che un computer quantistico potrebbe eseguire, e l'attenzione del team sulla creazione di stati di frequenza più complessi mira a rendere le simulazioni quantistiche più potenti ed efficienti. Il metodo dei ricercatori è notevole anche perché mostra la porta Hadamard, uno dei circuiti elementari richiesti per il calcolo quantistico universale.

"Siamo stati in grado di dimostrare fin dall'inizio risultati estremamente fedeli, che è molto impressionante per l'approccio ottico, " ha detto Pavel Lougovski, ricercatore principale del progetto. "Stiamo ritagliando un sottocampo qui all'ORNL con il nostro lavoro di codifica basata sulla frequenza".

Il metodo sfrutta la tecnologia delle telecomunicazioni ampiamente disponibile con componenti standard e produce risultati ad alta fedeltà. Gli sforzi per sviluppare ripetitori quantistici, che estendono la distanza che le informazioni quantistiche possono essere trasmesse tra computer fisicamente separati, trarrà beneficio da questo lavoro.

"Il fatto che il nostro metodo sia compatibile con le reti di telecomunicazioni è un grande vantaggio, " Ha detto Lougovski. "Potremmo eseguire operazioni quantistiche su reti di telecomunicazioni, se necessario".

Peters ha aggiunto che il loro progetto dimostra che la larghezza di banda in fibra ottica inutilizzata potrebbe essere sfruttata per ridurre il tempo di calcolo eseguendo operazioni in parallelo.

"Il nostro lavoro utilizza il principale vantaggio della frequenza, la stabilità, per ottenere un'altissima fedeltà e quindi eseguire il salto di frequenza controllato quando lo vogliamo, " ha detto il collega Wigner Joseph Lukens, che ha condotto l'esperimento ORNL. I ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente che i sistemi quantistici possono essere trasformati per produrre i risultati desiderati.

I ricercatori suggeriscono che il loro metodo potrebbe essere abbinato alla tecnologia di divisione del fascio esistente, sfruttando i punti di forza di entrambi e avvicinando la comunità scientifica al pieno utilizzo dell'elaborazione dell'informazione quantistica fotonica basata sulla frequenza.

Pietro, Lougovski e Lukens, tutti i fisici del Quantum Information Science Group di ORNL, ha collaborato con lo studente laureato Hsuan-Hao Lu, il professor Andrew Weiner, e colleghi della Purdue University. Il team ha pubblicato la teoria per i loro esperimenti in ottica nel gennaio 2017.