Eine sorgfältige Phaseneinstellung eines photonischen Qubits bringt Licht unter Kontrolle

Das Aufteilen von Photonen in eine Ansammlung benachbarter Frequenzen kann bei der Quantenberechnung hilfreich sein.Vergrößern / Aufteilen von Photonen in eine Ansammlung von Nachbarn Frequenzen können bei der Quantenberechnung helfen.NIST

Vor langer Zeit habe ich angefangen, für Ars, das experimentelle Quantum, zu schreiben Das Computing hatte gerade angefangen zu starten. Zu der Zeit der große Die Demonstrationen der Quantenberechnung waren sehr einfach Berechnungen, durchgeführt mit einzelnen Photonen als Repositories von Quanteninformation. Damals zeigte sich sogar eine einzige logische Tor war eine Herausforderung. Licht beherrschte den Rastplatz und lud Teilchen auf wurden auf den Status von nicht quantenmßig reduziert.

Das hat sich natürlich geändert. Jetzt machen alle großen Demonstrationen Verwendung geladener Teilchen: geringer supraleitender Strom Schleifen, Reihen von Ionen oder andere. Licht scheint es gewesen zu sein reduziert auf eine Art, Qubits zwischen geladenen Teilchen zu bewegen.

Aber ein aktuelles Ergebnis zeigt, dass Leben übrig ist Photonen-basierte Quantencomputer und dass der Grad der Parallelisierung, die einem Photonen-basierten Quantencomputer zur Verfügung steht schwer zu schlagen mit anderen Qubit-Technologien.

Warum aufladen, wenn Sie eine leichte Brigade haben?

Das sich verändernde Schicksal verschiedener Quanten zu verstehen Technologien müssen wir in die Vergangenheit zurückkehren. Zurück in den 80er Jahren, Physiker waren daran interessiert, einige der ungewöhnlichen Dinge zu testen Konsequenzen der Quantenmechanik, etwa ob die Realität wirklich ist echt. Das oretiker hatten Katzen vorgeschlagen, die lebendig und tot waren, aber Diese Beschreibungen waren alle formal und schwer zu realisieren. Wenn Physiker hatten Quellen, die spezielle Quantenzustände erzeugen konnten, dann könnten tatsächliche Tests in der realen Welt durchgeführt werden.

Es ist einfach so passiert, dass diese Staaten am einfachsten zu produzieren waren mit Licht. Und die Fähigkeit entwickeln, die Experimente durchzuführen lieferte auch die Grundlage, auf der sich ein Quantencomputer befinden konnte entwickelt – Physiker hatten die glückliche Lage, Labore zu haben gefüllt mit Ausrüstung, die die grundlegende Logik demonstrieren könnte Operationen eines Quantencomputers.

Dies alles geschah, weil Photonen etwas Besonderes sind: Sie können passieren durcheinander ohne Einfluss. So kann ein Qubit passieren ein anderes Qubit, ohne einen der Werte zu ändern. Noch besser, Hochwertige Optik bedeutete, dass Qubits in Photonen kodiert waren bewahrt, als sie durch die Hardware gingen. Physiker hatten genau das, was sie brauchten: eine Umgebung mit sehr wenig Lärm und ein hohes Maß an Kontrolle über das Qubit.

Diese Arbeit stieß jedoch irgendwann an Grenzen. Es ist Es ist schwierig, einen optischen Vier-Qubit-Quantencomputer zu nehmen und zu skalieren zu einer immer größeren Anzahl von Qubits. Sogar mit all dem richtig geil Technologie für Glasfaserkommunikation, Qubitskalierung ist ein echtes Problem für optische Systeme.

Vergleichen Sie das mit so etwas wie einem supraleitenden Quanten Interferenzgeräte. Alles was sie brauchen ist ein fast vollständiger Ring Metalle auf einer Leiterplatte. Ingenieure haben die Technologie zum Skalieren Qubits, die auf diesen basieren, und sie wissen, wie man Schaltkreise erstellt, die kann Operationen mit mehreren Qubits ausführen, um sie sinnvoll zu implementieren ausgefeilte Algorithmen.

Das Problem ist, dass die Teilchen, die einen Überstrom bilden sind geladen. Die Ladungen spüren die Felder von allen ihren Nachbarn – nicht nur andere Qubits, sondern auch Ihre Handy, Laptop … alles.

Diese Qubits sind genau wie Kleinkinder. Sie fangen sauber an und glänzend, mit reinsten Botschaften verschlüsselt. Aber das Kleinkind schnell erwirbt Schmutz durch ein Spiel, das als hartnäckiges Aufnehmen bekannt ist Schmutz, die Informationen zu verfälschen. Wenn die Forscher versuchen, zu halten Wenn das Kleinkind keinen Schmutz aufnimmt, kommt es zu einem anhaltenden Wutanfall bis es sich versehentlich über die Katze wirft. Hat nicht nur seine Informationen wurden extrem unordentlich, der Prozess hat das zerstört Informationen, die in allem um ihn herum verschlüsselt sind.

Schon jetzt in Bezug auf den Erfolg der individuellen Logik Operationen, Quanteninterferenz Qubits sind nicht gut genug für nützliche Berechnungen. Trotz einiger Demonstrationen sehr cool Berechnungen, deren Quantenzustand sich zu schnell auflöst Führen Sie komplexere Berechnungen durch. In dieser Hinsicht sind Qubits in codiert Photonen liefern immer noch die besten Ergebnisse, trotz ihrer offensichtlichen Unfähigkeit zu skalieren.

Die Rückkehr des Lichts

Die Liebhaber des Lichts haben dabei nicht auf ihren Händen gesessen kommt jedoch zur Skalierung. Wenn Sie viele Qubits haben, brauchen Sie a Möglichkeit, sie zu teilen und zu kombinieren, damit die Qubits funktionieren Operationen. Für Licht ist dies, wenn es nur zwei Qubits gibt trivial: ein teilreflektierender Spiegel oder eine andere Standardoptik werde den Trick machen. Sobald Sie über drei oder drei nachdenken Bei mehr Qubits werden die Photonen jedoch sehr stark gespalten und kombiniert schwierig.

Hier kommt die neueste Forschung ins Spiel. Um eine zu erreichen Multi-Qubit-Combiner und Splitter codierten die Forscher jeweils Qubit in einer etwas anderen Farbe. Sie haben das mit etwas gemacht ein elektrooptischer Modulator genannt. Ein elektrooptischer Modulator nimmt in einem Mikrowellensignal, das den Brechungsindex eines Bits ändert aus Glas. Wenn Licht durch das Glas fällt, beträgt seine Frequenz geändert durch die periodischen Änderungen des Brechungsindex. In der Tat ist es genau um die Frequenz der Mikrowelle verschoben.

Und dieser Effekt kaskadiert. Also habe ich in einer einzigen Farbe gesetzt und, raus Am anderen Ende bekomme ich die Farbe, die ich hineingesteckt habe, und eine ganze Menge Und ere. Jede Farbe ist durch das von ihren Nachbarfarben getrennt Frequenz der Mikrowelle. Nun, das klingt ausgezeichnet, weil die Der Modulator erzeugt automatisch einen riesigen Überlagerungszustand. Ich legte in einem einzelnen Qubit mit einer bestimmten Farbe und diesem einzelnen Photon kommt im Überlagerungszustand aus allen verfügbaren Farben heraus der Modulator (Wenn ich das Photon messen würde, bekomme ich immer noch eine einzelne Farbe, aber es ist nur in der Überlagerung bis Messung erfolgt). Ich kann auch in die andere Richtung gehen: wenn ich meine habe Photonen breiten sich über all diese verschiedenen Frequenzen aus, dann kann ich rekombiniere sie so, dass das Photon nur ein einziges ist Frequenz.

Das klingt alles großartig, ist es aber nicht. Das Problem ist, dass die Kaskade hört nicht auf. Nehmen wir an, ich kann rechnen mit 30 Qubits. Dieser Prozess erzeugt einen Überlagerungszustand, der erstreckt sich weit über die beabsichtigten 30 hinaus und ruiniert jegliches Potential Berechnung. Um es fester auszudrücken: Wenn ich das begrenzen könnte kaskadierter Prozess auf nur die 30 Frequenzen, die meinen entsprechen Qubits, dann die Erfolgswahrscheinlichkeit für jede Operation, die ich Auf meinen Qubits zu spielen wäre fast eine Einheit. Jedes weitere Eine ungewollt eingeschlossene Frequenz verringert die Wahrscheinlichkeit des Erfolgs.

Wir können das so vereinfachen, dass wir verstehen, wie das geht funktioniert und wie man das Problem löst. Lassen Sie uns einfach ein Qubit davon haben durchläuft einen Modulator und tritt als zwei Qubits nebeneinander auf Frequenzen. Nun hat das Lichtfeld der beiden Qubits eine Phase – die Auf diese Weise reihen sich die Spitzen und Täler der beiden Lichtwellen aneinander – das war fixiert durch das einfallende Licht- und Mikrowellenfeld. Als nächstes senden wir Diese Qubits durch einen zweiten Modulator. Weil die Phase ist unverändert werden die zwei Qubits vier. Aber wenn wir ein Qubit aufschieben in Bezug auf die andere, so dass die Spitzen eines Qubits aufgereiht sind Mit den Tälern der Sekunde erzeugt der Modulator keine zwei Extra Qubits, werden die beiden Qubits zu einem einzigen zusammengefasst Qubit.

Dies bietet eine Lösung. Unser Qubit ist verteilt (möglicherweise) Hunderte von Qubits durch den ersten Modulator. Begrenzen In unserem Rechenraum platzieren wir nach den ersten 30 ein Gerät der erste Modulator, der die Phasen des ganzen Individuums verschiebt Qubits. Wir arrangieren es so, dass, wenn sie die zweite eingeben Modulator, das Licht bei Frequenzen außerhalb der rechnerischen Der Raum wird zerstört und im Rechenraum neu emittiert.

Entschlossene Kontrolle

Die Operation, die ich gerade beschrieben habe, nimmt im Grunde genommen ein Qubit und verteilt es genau über einen gewünschten Rechenraum. Thereverse kann auch ausgeführt werden: alle Qubits werden zu a rekombiniert einzelnes Qubit. Und je nach Wahl der Phase beliebig Kombinationen können auch erhalten werden.

All dies kann jetzt in herkömmlicherer elektronischer Form erfolgen systeme auch, also was ist hier besonders? Vielleicht der größte Der Unterschied ist, dass dies auf bemerkenswert einfache und schnelle Weise möglich ist lärmfreie Art und Weise. Die Forscher zeigen Erfolgswahrscheinlichkeiten, die sind so gut wie die besten Einzelionen- und Einzelphotonensysteme. AndIm Gegensatz zu ionenbasierten Qubits werden Operationen sehr schnell und einfach ausgeführt parallel auf dem gesamten Qubit-Raum. Das ergibt diese Kombination von Modulatoren und Phasenregler steuern das Potenzial, durchaus leistungsfähig zu sein Technik.

Das größte Problem ist, dass dieser noch relativ groß und verbraucht ungeschickte Hardware aus der Telekommunikationsbranche. Jedoch, Als Optiker werde ich eine vorhersehbare Vorhersage treffen. Licht wird gewinnen. Ich denke, dass in allen anderen Systemen – Ionen gefangen, supraleitende Qubits oder was auch immer Ihr Lieblingssystem ist – das Lärm wird sich als begrenzender Faktor erweisen. Forscher werden demonstrieren Quantenkontrolle, aber sie werden es sehr schwierig finden weiter zu Systemen zu skalieren, die echte Probleme lösen können.

Lichtbasierte Systeme sind andererseits mit Problemen verbunden mit Skala an erster Stelle. Die Eigenschaften, die es so machen Es sind diejenigen, mit denen man leicht als Quantenrechnersystem arbeiten kann das macht es schwierig, einen großen Quantencomputer zu bauen. Mein Glaube ist dass diese Skalenprobleme leichter zu lösen sind als das Rauschen Probleme in anderen Systemen konfrontiert.

Physical Review Letters, 2018, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.120.030502

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