I computer quantistici fotonici sono strumenti computazionali che sfruttano la fisica quantistica e utilizzano particelle di luce (cioè fotoni) come unità di elaborazione delle informazioni. Questi computer potrebbero alla fine superare i computer quantistici convenzionali in termini di velocità, trasmettendo allo stesso tempo informazioni su distanze più lunghe.
Nonostante le loro promesse, i computer quantistici fotonici non hanno ancora raggiunto i risultati desiderati, in parte a causa delle interazioni intrinsecamente deboli tra i singoli fotoni. In un articolo pubblicato su Physical Review Letters , i ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina hanno dimostrato un grande stato di cluster che potrebbe facilitare il calcolo quantistico in un sistema fotonico, vale a dire l'entanglement di tre fotoni.
"Il calcolo quantistico fotonico è promettente grazie ai suoi vantaggi operativi a temperatura ambiente e alla decoerenza minima", ha detto a Phys.org Hui Wang, coautore dell'articolo.
"Tuttavia, la sfida intrinseca risiede nella debole interazione tra singoli fotoni, che ostacola la realizzazione di porte deterministiche a due qubit essenziali per la scalabilità. Per affrontare questo problema, i concetti di fusione e percolazione sono emersi negli ultimi due decenni nel nostro campo. "
Studi precedenti suggeriscono che la fusione e la percolazione potrebbero essere approcci scalabili per realizzare il calcolo quantistico nei sistemi fotonici senza la necessità di porte entanglement deterministiche, come quelle richieste dai qubit superconduttori e dagli ioni intrappolati. Come parte del loro studio, Wang e i suoi colleghi hanno utilizzato una strategia che prevede la fusione di piccoli stati di risorse, come l'annunciato stato 3-GHZ da loro dimostrato, in stati cluster su larga scala adatti a realizzare l'informatica quantistica basata sulla misurazione.
"Il teorema della percolazione impone che il successo sia ottenibile se la probabilità di successo del fusion gate supera una soglia specifica", ha detto Wang.
"In questo contesto, la fase iniziale prevede la generazione dello stato di risorsa necessario, con lo stato essenziale più piccolo che è lo stato Greenberger-Horne-Zeilinger (3-GHZ) a tre fotoni. Esistono due metodi principali per la generazione deterministica dello stato 3-GHZ:( i) utilizzando emettitori a fotone singolo come i punti quantici, che sebbene teoricamente deterministici, affrontano limitazioni di efficienza con le tecnologie attuali e (ii) generando in modo quasi deterministico cluster entangled in modo annunciato, consentendo la convalida immediata del successo senza perturbare lo stato target."
Dei due metodi che generano uno stato a 3 GHZ, la generazione quasi deterministica di cluster entangled in modo annunciato sembra attualmente essere il più promettente. Utilizzando questo metodo, i ricercatori sono riusciti a determinare questo stato da una sorgente a fotone singolo in un chip fotonico.
Il loro lavoro rappresenta una pietra miliare significativa nel percorso verso la realizzazione del calcolo quantistico fotonico tollerante ai guasti. Nello specifico, i loro sforzi potrebbero accelerare lo sviluppo di computer quantistici ottici su larga scala che si basano su stati a 3 GHZ per elaborare le informazioni quantistiche.
"La nostra configurazione sperimentale richiede sei fotoni singoli da iniettare in un interferometro passivo a 10 modalità", ha spiegato Wang.
"La nostra implementazione utilizza un punto quantico InAs/GaAs come sorgente a fotone singolo. Da notare che questa è la sorgente a fotone singolo all'avanguardia tra tutti i sistemi fisici. L'interferometro programmabile, fornito da Quix, dimostra un'efficienza complessiva di 50%. Attraverso l'applicazione di una specifica trasformazione unitaria, lo stato di uscita risultante attraverso le porte 1-6 si manifesta come uno stato annunciato da 3 GHZ codificato a doppia guida, subordinato al rilevamento di singoli fotoni in entrambe le porte e in una sola delle porte. porti."
Il primo rapporto di singoli fotoni annunciati risale al 1986, mentre le prime coppie di fotoni entangled sono state realizzate nel 2010. Il recente lavoro di Wang e dei suoi collaboratori si basa su questi progressi precedenti, dimostrando un grande stato di cluster che potrebbe svolgere un ruolo chiave nella consentendo l'elaborazione quantistica tollerante ai guasti e basata su misurazioni utilizzando chip fotonici.
In particolare, l'articolo è stato pubblicato più o meno nello stesso periodo di due studi correlati condotti da altri team, presentati in Physical Review Letters e Fotonica naturale , che ha raccolto altri risultati impressionanti. Nel complesso, questi sviluppi suggeriscono che ci stiamo avvicinando alla realizzazione effettiva di computer quantistici fotonici tolleranti ai guasti.
"Nel prossimo futuro, è a portata di mano la dimostrazione di una porta di fusione che supera la soglia di percolazione utilizzando otto fotoni singoli", ha aggiunto Wang.
"Sulla base del successo dell'annunciato stato 3-GHZ presentato in questo studio, più stati di risorse 3-GHZ possono essere amalgamati per formare uno stato entangled più ampio. Inoltre, l'esplorazione della generazione di stati entangled su larga scala su piattaforme ottiche quantistiche integrate è in corso."
Ulteriori informazioni: Si Chen et al, Annunciano l'entanglement di tre fotoni da una sorgente a fotone singolo su un chip fotonico, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.130603. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2307.02189
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