I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno dimostrato un nuovo livello di controllo sui fotoni codificati con informazioni quantistiche. La loro ricerca è stata pubblicata in ottica .

Giuseppe Lukens, Brian Williams, Nicola Pietro, e Pavel Lougovski, ricercatori con il Quantum Information Science Group di ORNL, eseguito distintamente, operazioni indipendenti simultanee su due qubit codificati su fotoni di frequenze diverse, una capacità chiave nel calcolo quantistico ottico lineare. I qubit sono la più piccola unità di informazione quantistica.

Gli scienziati quantistici che lavorano con qubit codificati in frequenza sono stati in grado di eseguire una singola operazione su due qubit in parallelo, ma questo non è all'altezza del calcolo quantistico.

"Per realizzare l'informatica quantistica universale, devi essere in grado di eseguire diverse operazioni su diversi qubit contemporaneamente, ed è quello che abbiamo fatto qui, ", ha detto Lougovski.

Secondo Lougovski, il sistema sperimentale del team, due fotoni entangled contenuti in un singolo filo di cavo in fibra ottica, è il "computer quantistico più piccolo che si possa immaginare. Questo documento segna la prima dimostrazione del nostro approccio basato sulla frequenza al calcolo quantistico universale".

"Molti ricercatori parlano di elaborazione quantistica delle informazioni con fotoni, e anche usando la frequenza, " disse Lukens. "Ma nessuno aveva pensato di inviare più fotoni attraverso lo stesso filamento di fibre ottiche, nello stesso spazio, e operando su di essi in modo diverso."

Il processore di frequenza quantistica del team ha permesso loro di manipolare la frequenza dei fotoni per ottenere la sovrapposizione, uno stato che consente operazioni quantistiche e calcolo.

A differenza dei bit di dati codificati per l'informatica classica, i qubit sovrapposti codificati nella frequenza di un fotone hanno un valore di 0 e 1, anziché 0 o 1. Questa capacità consente ai computer quantistici di eseguire contemporaneamente operazioni su set di dati più grandi rispetto ai supercomputer di oggi.

Usando il loro processore, i ricercatori hanno dimostrato una visibilità di interferenza del 97 percento, una misura di quanto sono simili due fotoni, rispetto al tasso di visibilità del 70 percento restituito in ricerche simili. Il loro risultato indicava che gli stati quantistici dei fotoni erano praticamente identici.

I ricercatori hanno anche applicato un metodo statistico associato all'apprendimento automatico per dimostrare che le operazioni sono state eseguite con altissima fedeltà e in modo completamente controllato.

"Siamo stati in grado di estrarre più informazioni sullo stato quantistico del nostro sistema sperimentale usando l'inferenza bayesiana che se avessimo usato metodi statistici più comuni, " ha detto Williams.

"Questo lavoro rappresenta la prima volta che il processo del nostro team ha restituito un risultato quantico effettivo".

Williams ha sottolineato che la loro configurazione sperimentale fornisce stabilità e controllo. "Quando i fotoni prendono percorsi diversi nell'apparecchiatura, sperimentano diversi cambiamenti di fase, e questo porta all'instabilità, " ha detto. "Quando viaggiano attraverso lo stesso dispositivo, in questo caso, il filo in fibra ottica, hai un controllo migliore."

Stabilità e controllo consentono operazioni quantistiche che preservano le informazioni, ridurre i tempi di elaborazione delle informazioni, e migliorare l'efficienza energetica. I ricercatori hanno confrontato i loro progetti in corso, iniziata nel 2016, a elementi costitutivi che si collegheranno per rendere possibile il calcolo quantistico su larga scala.

"Ci sono dei passaggi che devi compiere prima di intraprendere il prossimo, passo più complicato, " Peters ha detto. "I nostri progetti precedenti si sono concentrati sullo sviluppo di capacità fondamentali e ci consentono ora di lavorare nel dominio completamente quantistico con stati di input completamente quantistici".

Lukens ha affermato che i risultati del team mostrano che "possiamo controllare gli stati quantistici dei qubit, cambiare le loro correlazioni, e modificarli utilizzando la tecnologia di telecomunicazione standard in modi applicabili al progresso dell'informatica quantistica".

Una volta che gli elementi costitutivi dei computer quantistici sono tutti a posto, Ha aggiunto, "possiamo iniziare a connettere dispositivi quantistici per costruire l'internet quantistica, che è il prossimo, passo emozionante."

Proprio come le informazioni vengono elaborate in modo diverso da supercomputer a supercomputer, riflettendo diversi sviluppatori e priorità del flusso di lavoro, i dispositivi quantistici funzioneranno utilizzando frequenze diverse. Ciò renderà difficile collegarli in modo che possano lavorare insieme nel modo in cui i computer di oggi interagiscono su Internet.

Questo lavoro è un'estensione delle precedenti dimostrazioni del team delle capacità di elaborazione delle informazioni quantistiche sulla tecnologia delle telecomunicazioni standard. Per di più, loro hanno detto, sfruttare l'infrastruttura di rete in fibra ottica esistente per il calcolo quantistico è pratico:sono stati investiti miliardi di dollari, e l'elaborazione delle informazioni quantistiche rappresenta un nuovo uso.

I ricercatori hanno affermato che questo aspetto del "cerchio completo" del loro lavoro è molto soddisfacente. "Abbiamo iniziato la nostra ricerca insieme volendo esplorare l'uso della tecnologia delle telecomunicazioni standard per l'elaborazione delle informazioni quantistiche, e abbiamo scoperto che possiamo tornare al dominio classico e migliorarlo, " ha detto Lukens.