En ny metode for å flette sammen skjebnen til fragmenter av lys har overvunnet noen alvorlige hindringer på veien til fotonbasert kvanteberegning.
Forskere fra Max Planck Institute of Quantum Optics i Tyskland har viklet 14 fotoner inn i en tilstand som anses som optimal for qubits, mer enn en dobling av tidligere forsøk – samtidig som effektiviteten forbedres.
I motsetning til “bitene” av binær kode bak mer konvensjonelle former for datateknologi, qubits eksisterer i en tilstand av sannsynlighet som kalles en superposisjon, og oppfører seg som en snudd mynt når den faller gjennom luften.
Algoritmer basert på måten grupper av kvantemynter faller på kan gjøre kort arbeid med ganske kompleks matematikk, men bare hvis deres kollektive spinning ikke uforvarende blir blåst ut av kurs av miljøet.
Omtales som dekoherens, dette avbrudd i en partikkels superposisjon er et stort hinder for ingeniører å designe nyttig kvantedatamaskiner.
I teorien kan omtrent alt eksistere i en kvantesuperposisjon av tilstander, fra elektroner til atomer til hele molekyler (eller større). Men for å begrense dekoherensen tar mindre og enklere gjenstander kaken.
Fotoner utgjør ideelle qubits. Dessverre praktisk kvantedatamaskiner trenger mange qubits. Tusenvis. Til og med millioner. Jo mer jo bedre. Ikke bare trenger de alle å snurre i superposisjon på en gang, deres skjebner må deles. Eller, for å bruke fysikkbegrepet, innviklet.
Det er her utfordringen kommer inn.
Det er relativt enkle måter å vikle sammen par av fotoner. Tving et atom til å sende ut en bølge av lys og del det deretter ved hjelp av en spesiell skjerm, og du vil få to fotoner med en delt historie.
Mens de forblir i flukt med sine respektive egenskaper som ennå ikke er målt, fungerer de mer eller mindre som den spinnende mynten. Til slutt vil den ene komme opp med hodet, og den andre haler.
Å vikle mer enn to fotoner blir mer av en utfordring.
Eksperimenter med objekter kalt kvanteprikker har klart å vikle kjeder på tre til fire fotoner. Ikke bare er det usannsynlig å produsere hundrevis og tusenvis som trengs for en like mye som en datamaskinstaten av sammenfiltring å bruke denne tilnærmingen er ikke så pålitelig som ingeniører kanskje liker.
Nyere studier som bruker atomer med store elektronorbitaler, kalt Rydberg-atomer, har produsert opptil seks sammenfiltrede fotoner, alle i en effektivt sammenfiltret form. Selv om metoden kan gi superraske datakomponenter, er den heller ikke et lett skalerbart alternativ.
Denne nyeste løsningen kan i teorien produsere et hvilket som helst antall sammenfiltrede fotoner, alle i den ideelle tilstanden.
“Trikset med dette eksperimentet var at vi brukte et enkelt atom for å sende ut fotonene og veve dem sammen på en veldig spesifikk måte,” sier doktorgradsstudent i fysikk og hovedforfatter Philip Thomas.
Et atom av rubidium ble kilt inn i utsendende lysbølger, som ble kanalisert inn i et hulrom formet for å reflektere dem frem og tilbake på en veldig presis måte.
Ved å finjustere måten rubidium glødet på, kunne hvert foton bli viklet inn i hele atomets tilstand – noe som betyr at hvert foton som spretter frem og tilbake i hulrommet også ble viklet sammen med et betydelig antall søsken.
“Fordi kjeden av fotoner dukket opp fra et enkelt atom, kunne den produseres på en deterministisk måte,” sier Thomas.
I dette tilfellet klarte teamet å vikle inn 12 fotoner i en mindre effektiv lineær klynge, og 14 i den prissatte Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) tilstand.
“Så vidt vi vet, er de 14 sammenkoblede lyspartiklene det største antallet sammenfiltrede fotoner som har blitt generert i laboratoriet så langt,” sier Thomas.
Ikke bare var de i stand til å vikle inn så mange fotoner, effektiviteten til denne metoden ble forbedret i forhold til tidligere prosesser, med nesten én av to fotoner som ga pent sammenfiltrede qubits.
Fremtidige oppsett vil trenge å introdusere et andre atom for å gi qubits som er nødvendige for mange kvanteberegningsoperasjoner. Å ha sammenfiltrede fotoner på trykk kan gi grunnlaget for teknologi utover databehandling, okkupasjon en sentral rolle i kvantekryptert kommunikasjon.
Denne forskningen ble publisert i Natur.