Kvanttiportteja, hyperlomittumista ja kvanttisuodatin

Delftin teknillisen yliopiston tiedekuntien välisen kvanttiteknologian tutkimuslaitoksen QuTechin tutkijat ovat yhteistyössä Fujitsun ja Element Sixin kanssa osoittaneet täydellisen kvanttiporttien joukon, joiden virhetodennäköisyys on alle 0,1 %.

Kvanttitietokoneen toiminnan kannalta on oleellista, että kaikki kvanttiportit ovat erittäin tarkkoja. Porttien aikana tapahtuvan virheen todennäköisyyden tulee olla alle kynnyksen, tyypillisesti suuruusluokkaa 0,1-1 %. Vain silloin virheet ovat riittävän harvinaisia, jotta virheenkorjausmenetelmät toimivat onnistuneesti ja varmistavat luotettavan laskennan meluisilla komponenteilla.

Timantin spinit ovat eräänlainen kubitti, joka näyttää lupaavalta kvanttilaskennassa. Nämä kubitit koostuvat elektroni- ja ydinspineistä, jotka liittyvät atomivirheisiin, esimerkiksi typpiatomiin, joka korvaa hiiliatomin timantissa.

QuTechin tutkijat ovat nyt osoittaneet erittäin tarkan universaalin kvanttiporttisarjan käyttämällä timanttikvanttisirua. Tutkijat käyttivät kahden kubitin järjestelmää, joista toinen muodostui vikakeskuksen elektronien spinistä ja toinen sen ydinspinistä. Tämän kahden kubitin järjestelmän jokainen porttityyppi toimii alle 0,1 %:n virheellä ja parhaat portit saavuttavat jopa 0,001 %:n virheet.

ORNL:n Hsuan-Hao Lu:n johtama tutkimus kertoo myös uuden kvanttiportin kehittämisestä, joka toimii kahden fotonisen vapausasteen - polarisaation ja taajuuden - välillä. Yhdistettynä hyperlomittumiseen tämä uusi lähestymistapa voi parantaa kvanttiviestinnän virheensietokykyä ja auttaa tasoittamaan tietä tuleville kvanttiverkoille.

"Fotonit, pienimmät sähkömagneettisen energian paketit, ovat elinkelpoisia informaation välittäjiä kvanttiverkoissa", Lu sanoi. "Jokaisella fotonilla on useita vapausasteita - kuten polku, polarisaatio ja taajuus -, jotka voivat kuljettaa kvantti-informaatiota.

Hyperlomittumisen avulla, joka on useiden vapausasteiden lomittuminen kahden fotonin välillä, Lu ja hänen tiiminsä määrittelivät, että viestintää voitaisiin jakaa luotettavammin.

University of Southern Californian (USC) Viterbi School of Engineeringin tutkijoiden vetämä työ on sen sijaan osoittanut ensimmäisen optisen suodattimen, joka pystyy eristämään ja säilyttämään kvanttilomittumisen.

Työ avaa oven kompakteille, tehokkaille lomittumisjärjestelmille, jotka voidaan integroida kvanttifotonipiireihin, mikä mahdollistaa luotettavammat kvanttilaskenta-arkkitehtuurit ja viestintäverkot.

Lomittuminen on kvanttiteknologioiden elintärkeä resurssi, mutta se on erittäin hauras. Ongelman ratkaisuksi tiimi loi uudenlaisen optisen suodattimen – laserpiirrettyjen aaltoputkien järjestelyn, joka riipii kaiken tarpeettoman saaden esiin puhtaan alla olevan lomittuneen tilan.

Tämän työn ytimessä oleva läpimurto tulee teoreettisen fysiikan yllättävästä ideasta, jota kutsutaan anti-parity-time -symmetriaksi (APT) – käsite, joka on vasta hiljattain alkanut herättää huomiota optiikan maailmassa.

Aiheista aiemmin:

Microsoftilta Majorana ykkönen

Kahden kubitin portti FINfet-transistorissa

Kvanttiverkot vakaammiksi yhteyksiä lisäämällä