Nye målinger som kvantifiserer qudits gir et glimt av kvantefremtiden

Ved å bruke eksisterende eksperimentelle og beregningsmessige ressurser har et multi-institusjonelt team utviklet en effektiv metode for å måle høydimensjonale qudits kodet i kvantefrekvenskammer, som er en type fotonkilde, på en enkelt optisk brikke.

Selv om ordet “qudit” kan se ut som en skrivefeil, er denne mindre kjente fetteren til qubiten, eller hvor myekan bære mer informasjon og er mer motstandsdyktig mot støy – som begge er nøkkelegenskaper som trengs for å forbedre ytelsen til kvantenettverk, kvantenøkkeldistribusjonssystemer og, etter hvert, kvanteinternettet.

Klassiske databiter kategoriserer data som enere eller nuller, mens qubits kan inneholde verdier på en, null eller begge – samtidig – på grunn av superposisjon, som er et fenomen som lar flere kvantetilstander eksistere samtidig. “D” i qudit står for antall forskjellige nivåer eller verdier som kan kodes på et foton. Tradisjonelle qubits har to nivåer, men å legge til flere nivåer forvandler dem til qudits.

Nylig karakteriserte forskere fra det amerikanske energidepartementets Oak Ridge National Laboratory, Purdue University og Swiss Federal Institute of Technology Lausanne, eller EPFL, et sammenfiltret par med åtte-nivå qudits, som dannet et 64-dimensjonalt kvanterom – firedoblet forrige rekord for diskrete frekvensmoduser. Disse resultatene ble publisert i Naturkommunikasjon.

“Vi har alltid visst at det er mulig å kode 10- eller 20-nivå qudits eller enda høyere ved å bruke fargene til fotoner, eller optiske frekvensermen problemet er at det er veldig vanskelig å måle disse partiklene,” sa Hsuan-Hao Lu, en postdoktor ved ORNL. “Det er verdien av denne artikkelen – vi fant en effektiv og ny teknikk det er relativt enkelt å gjøre på den eksperimentelle siden.”

Qudits er enda vanskeligere å måle når de er sammenfiltret, noe som betyr at de deler ikke-klassiske korrelasjoner uavhengig av den fysiske avstanden mellom dem. Til tross for disse utfordringene, er frekvens-bin-par – to qudits i form av fotoner som er viklet inn i frekvensene – godt egnet til å bære kvanteinformasjon fordi de kan følge en foreskrevet vei gjennom optisk fiber uten å bli vesentlig modifisert av omgivelsene.

“Vi kombinerte toppmoderne frekvensbeholderproduksjon med toppmoderne lyskilder, og brukte deretter teknikken vår til å karakterisere høydimensjonale qudit-forviklinger med et presisjonsnivå som ikke har blitt vist før, ” sa Joseph Lukens, en Wigner-stipendiat og forsker ved ORNL.

Forskerne begynte sine eksperimenter med å skinne en laser inn i en mikroringresonator – en sirkulær enhet på brikken produsert av EPFL og designet for å generere ikke-klassisk lys. Denne kraftige fotonkilden tar opp 1 kvadratmillimeter plass – sammenlignbar i størrelse med punktet til en spisset blyant – og tillot teamet å generere frekvensbeholderpar i form av kvantefrekvenskammer.

Vanligvis krever qudit-eksperimenter at forskere konstruerer en type kvantekrets kalt en kvanteport. Men i dette tilfellet brukte teamet en elektro-optisk fasemodulator for å blande forskjellige lysfrekvenser og en pulsformer for å modifisere fasen til disse frekvensene. Disse teknikkene blir studert mye ved Ultrafast Optics and Optical Fiber Communications Laboratory ledet av Andrew Weiner ved Purdue, hvor Lu studerte før han begynte i ORNL.

Disse optiske enhetene er vanlige i telekommunikasjonsindustrien, og forskerne utførte disse operasjonene tilfeldig for å fange opp mange forskjellige frekvenskorrelasjoner. I følge Lu er denne prosessen som å kaste et par sekssidige terninger og registrere hvor mange ganger hver kombinasjon av tall vises – men nå er terningene viklet inn i hverandre.

“Denne teknikken, som involverer fasemodulatorer og pulsformere, er tungt forfulgt i den klassiske konteksten for ultrarask og bredbånds fotonisk signalbehandling og har blitt utvidet til kvanteveien for frekvens qudits,” sa Weiner.

For å jobbe bakover og utlede hvilke kvantetilstander som produserte frekvenskorrelasjoner ideelle for qudit-applikasjoner, utviklet forskerne et dataanalyseverktøy basert på en statistisk metode kalt Bayesian inference og kjørte datasimuleringer ved ORNL. Denne prestasjonen bygger på teamets tidligere arbeid fokusert på å utføre Bayesianske analyser og rekonstruere kvantetilstander.

Forskerne finjusterer nå målemetoden for å forberede seg på en rekke eksperimenter. Ved å sende signaler gjennom optisk fiber, tar de sikte på å teste kvantekommunikasjonsprotokoller som teleportering, som er en metode for å transportere kvanteinformasjon, og entanglement swapping, som er prosessen med å vikle to tidligere ikke-relaterte partikler.

Karthik Myilswamy, en doktorgradsstudent ved Purdue, planlegger å bringe mikroringresonatoren til ORNL, noe som vil gjøre teamet i stand til å teste disse egenskapene på laboratoriets kvantelokalnettverk.

“Nå som vi har en metode for å effektivt karakterisere sammenfiltrede frekvens-qudits, kan vi utføre andre applikasjonsorienterte eksperimenter,” sa Myilswamy.

---

---