Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato un modo per mappare e misurare la correlazione quantistica fotonica su larga scala con la sensibilità del singolo fotone. La capacità di misurare migliaia di istanze di correlazione quantistica è fondamentale per rendere pratico il calcolo quantistico basato su fotoni.

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, un gruppo multi-istituzionale di ricercatori segnala la nuova tecnica di misurazione, che è chiamata correlazione sull'immagine a livello di fotone mappata nello spazio (COSPLI). Hanno anche sviluppato un modo per rilevare i segnali di singoli fotoni e le loro correlazioni in decine di milioni di immagini.

"COSPLI ha il potenziale per diventare una soluzione versatile per eseguire misurazioni di particelle quantistiche in computer quantistici fotonici su larga scala, " ha detto il capo del gruppo di ricerca Xian-Min Jin, dell'Università Jiao Tong di Shanghai, Cina. "Questo approccio unico sarebbe utile anche per la simulazione quantistica, comunicazione quantistica, rilevamento quantistico e imaging biomedico a singolo fotone".

fotoni interagenti

La tecnologia di calcolo quantistico promette di essere significativamente più veloce dell'informatica tradizionale, che legge e scrive i dati codificati come bit che sono uno zero o uno. Invece di bit, l'informatica quantistica utilizza qubit che possono trovarsi in due stati contemporaneamente e interagiscono, o correlare, insieme. Questi qubit, che può essere un elettrone o un fotone, consentono di eseguire più processi contemporaneamente.

Una sfida importante nello sviluppo dei computer quantistici è trovare un modo per misurare e manipolare le migliaia di qubit necessari per elaborare set di dati estremamente grandi. Per i metodi basati sui fotoni, il numero di qubit può essere aumentato senza utilizzare più fotoni aumentando il numero di modi codificati in gradi di libertà fotonici, come polarizzazione, frequenza, tempo e luogo, misurati per ogni fotone. Ciò consente a ciascun fotone di esibire più di due modalità, o Stati, contemporaneamente. I ricercatori hanno precedentemente utilizzato questo approccio per fabbricare i più grandi chip quantistici fotonici del mondo, che potrebbe possedere uno spazio degli stati equivalente a migliaia di qubit.

Però, incorporare i nuovi chip quantistici fotonici in un computer quantistico richiede la misurazione di tutte le modalità e le loro correlazioni fotoniche a livello di singolo fotone. Fino ad ora, l'unico modo per ottenere ciò sarebbe utilizzare un rivelatore a singolo fotone per ciascuna modalità esibita da ciascun fotone. Ciò richiederebbe migliaia di rivelatori a singolo fotone e costerebbe circa 12 milioni di dollari per un singolo computer.

"È economicamente irrealizzabile e tecnicamente impegnativo affrontare migliaia di modalità contemporaneamente con rilevatori a fotone singolo, " ha detto Jin. "Questo problema rappresenta un collo di bottiglia decisivo per la realizzazione di un computer quantistico fotonico su larga scala".

Sensibilità al singolo fotone

Sebbene le camere CCD disponibili in commercio siano sensibili ai singoli fotoni e molto più economiche dei rilevatori a singolo fotone, i segnali dei singoli fotoni sono spesso oscurati da grandi quantità di rumore. Dopo due anni di lavoro, i ricercatori hanno sviluppato metodi per sopprimere il rumore in modo che i singoli fotoni potessero essere rilevati con ciascun pixel di una telecamera CCD.

L'altra sfida era determinare la polarizzazione di un singolo fotone, frequenza, ora e luogo, ognuno dei quali richiede una tecnica di misurazione diversa. Con COSPLI, le correlazioni fotoniche da altri modi sono tutte mappate sulla modalità spaziale, che permette di misurare le correlazioni di tutte le modalità con la camera CCD.

Per dimostrare COSPLI, i ricercatori hanno utilizzato il loro approccio per misurare gli spettri congiunti di fotoni correlati in dieci milioni di fotogrammi dell'immagine. Gli spettri ricostruiti concordavano bene con i calcoli teorici, dimostrando così l'affidabilità del metodo di misurazione e mappatura, nonché il rilevamento del singolo fotone. I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare la velocità di imaging del sistema da decine a milioni di fotogrammi al secondo.

"Sappiamo che è molto difficile costruire un computer quantistico pratico, e non è ancora chiaro quale implementazione sarà la migliore, " ha detto Jin. "Questo lavoro aggiunge fiducia che un computer quantistico basato su fotoni può essere un percorso pratico in avanti".