Многопрофильная команда создала эффективный метод измерения многомерных кудитов, закодированных в квантово-частотных гребенках, своего рода источнике фотонов, на одном оптическом чипе, используя уже доступные экспериментальные и вычислительные ресурсы.
Несмотря на то, что слово «кудит» может показаться опечаткой, этот менее известный родственник кубита, или квантового бита, обладает способностью передавать больше данных и более устойчив к помехам. производительность квантовых сетей, квантовых систем распределения ключей и, в конечном счете, квантового интернета.
В отличие от традиционных компьютерных битов, которые классифицируют данные как единицы или нули, кубиты могут хранить значения единицы, нуля или обоих значений. Это происходит из-за суперпозиции, явления, которое позволяет существовать нескольким квантовым состояниям одновременно. «d» Кудита относится к множеству уровней или значений, которые могут быть закодированы в фотоне. Традиционные кубиты имеют только два уровня, но при добавлении дополнительных уровней они становятся кудитами.
Исследователи из Швейцарского федерального технологического института Лозанны, или EPFL , Университета Пердью и Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США недавно завершили описание запутанной пары восьмиуровневых кудитов, образующих 64-мерное квантовое пространство, в четыре раза превышающее предыдущая запись для дискретных частотных режимов. Их выводы были недавно опубликованы в журнале Nature Communications .
«Мы всегда знали, что можно кодировать 10- или 20-уровневые кудиты или даже выше, используя цвета фотонов или оптических частот, но проблема в том, что измерение этих частиц очень сложно», — сказал Сюань-Хао Лу. научный сотрудник с докторской степенью в ORNL. «В этом ценность этой статьи — мы нашли эффективную и новую технику, которую относительно легко использовать в экспериментальных целях».
Еще труднее измерить кудиты, когда они запутаны, а это означает, что они имеют неклассические корреляции независимо от физического расстояния между ними. Несмотря на эти проблемы, пары частотных элементов — два кудита в форме фотонов, запутавшихся в своих частотах, — хорошо подходят для передачи квантовой информации, поскольку они могут следовать по заданному пути через оптическое волокно, не подвергаясь значительным изменениям со стороны окружающей среды.
«Мы объединили современное производство частотных бинов с самыми современными источниками света, а затем использовали нашу технику для характеристики многомерной запутанности кудита с уровнем точности, который не был показан ранее. — сказал Джозеф Лукенс, научный сотрудник ORNL и научный сотрудник Вигнера.
Исследователи начали свои эксперименты, направив лазер на микрокольцевой резонатор — круглое устройство на кристалле, изготовленное EPFL и предназначенное для генерации неклассического света. Этот мощный источник фотонов занимает площадь в 1 квадратный миллиметр — по размеру он сравним с кончиком заточенного карандаша — и позволил команде генерировать пары «частота-бин» в виде квантово-частотных гребенок.
Как правило, эксперименты с кудитом требуют от исследователей создания квантовой схемы, называемой квантовым вентилем. Но в этом случае команда использовала электрооптический фазовый модулятор для смешивания различных частот света и формирователь импульсов для изменения фазы этих частот. Эти методы широко изучаются в Лаборатории сверхбыстрой оптики и оптоволоконной связи под руководством Эндрю Вайнера в Purdue, где Лу учился до прихода в ORNL.
Эти оптические устройства являются обычным явлением в телекоммуникационной отрасли, и исследователи выполняли эти операции случайным образом, чтобы зафиксировать множество различных частотных корреляций. По словам Лу, этот процесс подобен броску пары шестигранных игральных костей и записи того, сколько раз выпадает каждая комбинация чисел, но теперь игральные кости перепутаны друг с другом.
«Этот метод, в котором используются фазовые модуляторы и формирователи импульсов, активно используется в классическом контексте для сверхбыстрой и широкополосной обработки фотонных сигналов и был расширен до квантового направления частотных квит», — сказал Вайнер.
Чтобы работать в обратном направлении и сделать вывод о том, какие квантовые состояния создают частотные корреляции, идеально подходящие для приложений кудита, исследователи разработали инструмент анализа данных, основанный на статистическом методе, называемом байесовским выводом, и запустили компьютерное моделирование в ORNL. Это достижение основано на предыдущей работе команды, направленной на выполнение байесовского анализа и реконструкцию квантовых состояний.
В настоящее время исследователи дорабатывают свой метод измерения, чтобы подготовиться к серии экспериментов. Отправляя сигналы через оптическое волокно, они стремятся протестировать протоколы квантовой связи, такие как телепортация, которая является методом передачи квантовой информации, и обмен запутанностью, который представляет собой процесс запутывания двух ранее не связанных между собой частиц.
Картик Миилсвами, аспирант Purdue, планирует доставить микрокольцевой резонатор в ORNL, что позволит команде протестировать эти возможности в локальной квантовой сети лаборатории.
«Теперь, когда у нас есть метод для эффективной характеристики запутанных частотных кудитов, мы можем проводить другие эксперименты, ориентированные на приложения», — сказал Мийлсвами.