Vari tipi di aggrovigliamento. (A) Tipi di entanglement che possono essere generati dal nostro sintetizzatore di entanglement. (B) Tipi di entanglement effettivamente generati e verificati in questo esperimento. Le sfere arancioni rappresentano i modi quantistici. Le frecce blu che collegano due modalità indicano che i nodi collegati possono comunicare tra loro tramite l'uso dell'entanglement. I collegamenti marroni che collegano due modalità significano che tra queste modalità viene applicata una porta di entanglement per generare stati cluster. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw4530
I protocolli di informazione quantistica si basano su una varietà di modalità di entanglement come Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) e altri stati cluster. Per la preparazione su richiesta, questi stati possono essere realizzati con sorgenti luminose schiacciate in ottica, ma tali esperimenti mancano di versatilità in quanto richiedono una varietà di circuiti ottici per realizzare individualmente diversi stati di entanglement. In un recente studio, Shuntaro Takeda e colleghi dei dipartimenti interdisciplinari di Fisica Applicata e Ingegneria in Giappone hanno affrontato il problema sviluppando un sintetizzatore di entanglement su richiesta. Utilizzando la configurazione sperimentale, i fisici hanno generato in modo programmato stati entangled da una singola sorgente di luce compressa.
Nel lavoro, hanno usato un circuito basato su loop controllato dinamicamente su scale temporali di nanosecondi per elaborare impulsi ottici nel dominio del tempo. Gli scienziati hanno generato e verificato cinque diversi stati entangled su piccola scala e un cluster di grandi dimensioni contenente più di 1000 modalità in un'unica configurazione senza modificare il circuito ottico. Il circuito sviluppato da Takeda et al. potrebbe memorizzare e rilasciare una parte degli stati entangled generati per funzionare come memoria quantistica. Il rapporto sperimentale pubblicato su Progressi scientifici , aprirà un nuovo modo per costruire sintetizzatori di entanglement generali su richiesta utilizzando un processore quantistico scalabile.
L'entanglement è essenziale per molti protocolli di informazione quantistica nelle regioni qubit e variabili continue (CV), dove svolgono una varietà di applicazioni. Ad esempio, lo stato bimodale Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) è il più comunemente usato, stato massimamente entangled come elemento costitutivo per la comunicazione quantistica a due parti e per le porte logiche quantistiche basate sul teletrasporto quantistico. La versione generalizzata di questo stato è uno stato n-mode Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) centrale per la costruzione di una rete quantistica, dove lo stato quantistico GHZ può essere condiviso tra n partecipanti. Per esempio, gli n partecipanti possono comunicare tra loro per la condivisione di segreti quantistici. Per il calcolo quantistico, invece, un tipo speciale di entanglement noto come stati cluster ha attirato molta attenzione come risorsa universale per consentire il calcolo quantistico unidirezionale.
Il metodo più conveniente e consolidato attualmente in uso per preparare in modo deterministico stati entangled fotonici comporta la miscelazione di luce compressa utilizzando reti di divisori di fascio per generare entanglement nel regime variabile continua (CV). I fisici hanno recentemente dimostrato stati entangled su larga scala schiacciando sorgenti luminose multiplexate nel dominio del tempo o nel dominio della frequenza. Il metodo non era versatile poiché dovevano progettare una varietà di configurazioni ottiche per produrre lo stato specifico di entanglement. I fisici avevano precedentemente riportato la caratterizzazione programmabile di diversi tipi di entanglement in stati quantistici multimodali utilizzando misurazioni di post-elaborazione o modificando la base della misurazione. La sintesi diretta di una varietà di stati di entanglement in un programmabile, deterministico all'interno di un quadro unico rimane attualmente un compito impegnativo, perciò.
Tipi di entanglement che vengono effettivamente generati e verificati in questo esperimento. Le sfere arancioni rappresentano i modi quantistici. Le frecce blu che collegano due modalità indicano che i nodi collegati possono comunicare tra loro tramite l'uso dell'entanglement. I collegamenti marroni che collegano due modalità significano che tra queste modalità viene applicata una porta di entanglement per generare stati cluster. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw4530
Nel presente lavoro, Takeda et al. ha proposto un sintetizzatore fotonico su richiesta per produrre in modo programmabile un importante insieme di stati entangled per risolvere la sfida esistente includendo:
Hanno basato il sintetizzatore su una dinamica, circuito fotonico controllabile che elabora impulsi ottici nel dominio del tempo. Utilizzando il circuito, gli scienziati hanno verificato la generazione programmabile di una varietà di stati entangled. La configurazione potrebbe anche archiviare e rilasciare una parte dello stato entangled generato per funzionare come memoria quantistica. Il nuovo metodo offre una strada promettente per la processabilità delle informazioni quantistiche fotoniche, che include scalabilità e programmabilità.
Schema di un sintetizzatore di entanglement su richiesta. (A) Schema concettuale. (B) Sequenza temporale per la modifica dei parametri di sistema. (C) Circuito equivalente. (D) Configurazione sperimentale. Vedere Materiali e metodi per i dettagli. "H" e "V" indicano la polarizzazione orizzontale e verticale, rispettivamente. OPO, oscillatore parametrico ottico; PBS, divisore di fascio polarizzante; QWP, piatto quarto d'onda; EOM, modulatore elettro-ottico; LO, oscillatore locale. (E) Controllo effettivo della trasmissività del divisore di fascio T(t). Vengono tracciate sia le risposte misurate (linea blu) che quelle ideali (linea tratteggiata nera). Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw4530
Quando si forma il concetto di sintetizzatore di entanglement, gli scienziati hanno utilizzato un singolo spremiagrumi per produrre in sequenza impulsi ottici schiacciati nello studio. Hanno iniettato gli impulsi in un circuito ad anello il cui tempo di andata e ritorno (τ) era equivalente all'intervallo di tempo tra gli impulsi. Questo loop includeva un divisore di raggio con trasmissività variabile T (t) e uno sfasatore con sfasamento variabile θ (t) – dove t indica il tempo. Dopo aver trasmesso attraverso il loop, gli scienziati hanno diretto gli impulsi a un rilevatore omodina utilizzando una base di misurazione sintonizzabile. Il circuito potrebbe sintetizzare una varietà di stati entangled dagli impulsi schiacciati, per analisi successive.
Per dimostrare la generazione di entanglement programmabile, gli scienziati hanno prima programmato il sintetizzatore per generare cinque diversi stati entangled su piccola scala. Questi includevano uno (1) stato EPR, (2) un GHZ a tre modalità, (3) uno stato del cluster a due modalità, e (4) una coppia di stati di cluster a tre modalità. Per verificare lo stato di entanglement, gli scienziati hanno applicato funzioni di modalità temporale al segnale omodina (funzione d'onda convertita in segnale elettrico) e hanno estratto la quadratura degli impulsi ottici a banda larga per valutare la correlazione tra i diversi impulsi.
Hanno quantificato la forza della correlazione utilizzando parametri di inseparabilità che erano direttamente collegati al livello di spremitura efficace. Gli scienziati sono stati in grado di ottenere risultati in cui i valori soddisfacevano i criteri di inseparabilità derivati nello studio, per dimostrare la generazione programmabile di cinque diversi stati entangled. Hanno spiegato i valori utilizzando la perdita accumulata durante la generazione di luce compressa, sintesi entangled nel loop e durante le misurazioni.
Generazione di uno stato cluster unidimensionale. (A) Schematico. (B) Misurazione a colpo singolo delle quadrature per le prime 15 modalità. x^k (p^k) viene misurato per i modi numerici dispari (pari) e tracciato come quadrati rossi (cerchi blu). (C) Confronto tra p^k (cerchi blu) e x^k−1+x^k+1 (diamanti rossi). (D) Varianza misurata del nullificatore 〈δ^k2〉 per (i) stati di vuoto (come riferimento; punti neri) e (ii) stati di cluster (punti blu). Il SE di ogni varianza è intorno a 0,01 e sempre inferiore a 0,03. L'area ombreggiata in giallo rappresenta la regione inseparabile. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw4530
Tuttavia, la configurazione sperimentale non è stata in grado di sintetizzare più di tre modalità GHZ e stati di cluster a causa delle limitazioni di progettazione del modulatore elettro-ottico (EOM) che pilotava i circuiti. Di conseguenza, gli scienziati mirano a sviluppare un circuito di guida più sofisticato oa costruire più EOM a cascata per aumentare il numero di valori di trasmittanza selezionabili e generare successivamente una varietà di GHZ e stati di cluster.
Il sintetizzatore di entanglement potrebbe anche produrre stati entangled su larga scala per un'elevata scalabilità; mostrato con uno stato cluster unidimensionale. Il circuito sviluppato dagli scienziati era equivalente alla generazione dello stato dei cluster proposta in precedenza e dimostrata successivamente da Yokoyama et al. Nel presente lavoro, gli scienziati hanno generato uno stato di cluster unidimensionale per più di 1000 modalità di entanglement. A causa di limitazioni tecniche, gli scienziati hanno potuto misurare solo 1008 modalità nell'esperimento. Però, in linea di principio, questo metodo non ha un limite teorico per il numero di modi entangled che possono essere generati.
Gli scienziati non sono stati in grado di confrontare direttamente la qualità di questi stati cluster rispetto allo schema precedente di Yokoyama et al. poiché l'attuale schema basato su loop era suscettibile di perdite dovute a componenti ottici aggiuntivi nella configurazione sperimentale. La perdita basata sui componenti nel circuito includeva un divisore di raggio variabile e uno sfasatore, che ha portato all'accumulo di perdite quando gli impulsi ottici hanno ripetutamente fatto circolare la configurazione.
Takeda et al. ha anche formato una memoria quantistica confinando un impulso ottico nel circuito ad anello programmabile. Sebbene la capacità di aggiungere un ritardo sintonizzabile a stati CV non classici possa svolgere un ruolo chiave per la sincronizzazione temporale in una varietà di protocolli quantistici, Finora i fisici avevano condotto solo pochi esperimenti di memoria quantistica per gli stati di variabili continue (CV) entangled.
Memorizzazione di una parte di uno stato EPR nel loop. (A) Sequenza di controllo. (B) Il parametro di inseparabilità misurato 〈[Δ(x̂1−x̂2)]2〉+〈[Δ(p̂1+p̂2)]2〉 con SE è tracciato per ogni ritardo nτ (τ =66 ns, n =1, 2, …, 11). L'area ombreggiata in giallo rappresenta la regione inseparabile. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw4530
Mentre una memoria quantistica basata su loop è una memoria semplice e versatile che non limita la lunghezza d'onda o lo stato quantistico della luce, è stato precedentemente mostrato solo per singoli fotoni. Takeda et al. ha dimostrato la funzionalità nel presente lavoro generando uno stato EPR nel ciclo e memorizzando una parte dello stato EPR per n cicli per poi rilasciarlo definitivamente. Gli scienziati potrebbero aumentare la durata della memoria quantistica nella configurazione aumentando la stabilità meccanica del circuito o del sistema di feedback per stabilizzare lo stato quantistico. Sono stati in grado di memorizzare qualsiasi stato quantistico CV nella memoria basata su loop e includere anche stati non gaussiani cambiando lo spremiagrumi con altre sorgenti di luce quantistica.
In questo modo, Takeda et al. stati entangled su piccola e grande scala generati e verificati in modo programmabile e controllati dinamicamente la trasmissività del divisore di fascio, sfasamento e basi di misura di un circuito ottico basato su loop su scale temporali di nanosecondi. Hanno dimostrato la capacità di memoria quantistica del circuito memorizzando parte di uno stato EPR nel loop. Il sistema è programmabile e altamente scalabile, offrendo uno strumento unico e versatile per le future tecnologie quantistiche fotoniche.
Takeda et al. immaginare di incorporare questo circuito ad anello in un anello più grande per realizzare una rete di divisori di fascio arbitraria annidata che combina gli impulsi schiacciati in ingresso per sintetizzare stati di cluster arbitrari. Prevedono anche estensioni di questo circuito a un computer quantistico universale includendo un operatore di spostamento programmabile basato sul segnale del rivelatore omodino e sulla sorgente di luce non gaussiana. La nuova rete costituirà una base cruciale per realizzare questi obiettivi e stimolerà ulteriori ricerche teoriche e sperimentali nell'elaborazione dell'informazione quantistica fotonica.
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