L'elaborazione delle informazioni quantistiche promette di essere molto più veloce e più sicura di quanto possano raggiungere i supercomputer di oggi, ma non esiste ancora perché i suoi elementi costitutivi, qubit, sono notoriamente instabili.

I ricercatori della Purdue University sono tra i primi a costruire un gate:quella che potrebbe essere una versione quantistica di un transistor, utilizzato nei computer di oggi per l'elaborazione delle informazioni, con qudit. Mentre i qubit possono esistere solo in sovrapposizioni di stati 0 e 1, i qudit esistono in più stati, come 0 e 1 e 2. Più stati significano che più dati possono essere codificati ed elaborati.

Il gate non sarebbe solo intrinsecamente più efficiente dei gate qubit, ma anche più stabile perché i ricercatori hanno impacchettato i qudit in fotoni, particelle di luce che non sono facilmente disturbate dal loro ambiente. I risultati dei ricercatori appaiono in npj Quantum Information.

Il cancello crea anche uno dei più grandi stati entangled di particelle quantistiche fino ad oggi, in questo caso, fotoni. L'entanglement è un fenomeno quantistico che consente alle misurazioni su una particella di influenzare automaticamente le misurazioni su un'altra particella, portando la capacità di rendere indissolubile la comunicazione tra le parti o di teletrasportare informazioni quantistiche da un punto all'altro, Per esempio.

Maggiore è l'entanglement nel cosiddetto spazio di Hilbert, il regno in cui può avvenire l'elaborazione delle informazioni quantistiche, meglio è.

I precedenti approcci fotonici erano in grado di raggiungere 18 qubit codificati in sei fotoni entangled nello spazio di Hilbert. I ricercatori della Purdue hanno massimizzato l'entanglement con un gate utilizzando quattro qudit, l'equivalente di 20 qubit, codificati in soli due fotoni.

Nella comunicazione quantistica, meno è di più. "I fotoni sono costosi in senso quantistico perché sono difficili da generare e controllare, quindi è l'ideale per impacchettare quante più informazioni possibili in ogni fotone, " disse Poolad Imany, un ricercatore post-dottorato presso la Purdue's School of Electrical and Computer Engineering.

Il team ha ottenuto più entanglement con meno fotoni codificando un qudit nel dominio del tempo e l'altro nel dominio della frequenza di ciascuno dei due fotoni. Hanno costruito un cancello usando i due qudit codificati in ogni fotone, per un totale di quattro qudit in 32 dimensioni, o possibilità, sia di tempo che di frequenza. Più dimensioni, più imbrigliamento.

Partendo da due fotoni entangled nel dominio della frequenza e quindi azionando il gate per entanglement i domini del tempo e della frequenza di ciascun fotone genera quattro qudit completamente entangled, che occupano uno spazio di Hilbert di 1, 048, 576 dimensioni, o 32 alla quarta potenza.

Tipicamente, le porte costruite su piattaforme fotoniche per manipolare le informazioni quantistiche codificate in fotoni separati funzionano solo una parte del tempo perché i fotoni naturalmente non interagiscono molto bene tra loro, rendendo estremamente difficile manipolare lo stato di un fotone in base allo stato di un altro. Codificando le informazioni quantistiche nei domini del tempo e della frequenza dei fotoni, I ricercatori della Purdue hanno reso il funzionamento della porta quantistica deterministico anziché probabilistico.

Il team ha implementato il cancello con una serie di apparecchiature standard standard utilizzate quotidianamente nel settore delle comunicazioni ottiche.

"Questo cancello ci permette di manipolare le informazioni in modo prevedibile e deterministico, il che significa che potrebbe eseguire le operazioni necessarie per determinati compiti di elaborazione delle informazioni quantistiche, " ha detto Andrew Weiner, Professore distinto di ingegneria elettrica e informatica della famiglia Scifres di Purdue, il cui laboratorio è specializzato in ottica ultraveloce.

Prossimo, il team vuole utilizzare il cancello in attività di comunicazione quantistica come il teletrasporto quantistico ad alta dimensione e per eseguire algoritmi quantistici in applicazioni come l'apprendimento automatico quantistico o la simulazione di molecole.