Kvanttitietokoneet siirtyvät moniulotteiseen tekniikkaan

Kvantti-informaation moniulotteinen koodaus tarjoaa potentiaalia lisätä huomattavasti olemassa olevien laitteiden laskentatehoa laajentamalla käytettävissä olevaa tila-avaruutta kiinteällä rekisterikoolla ja vähentämällä tarvittavien lomittumisporttien määrää.

Kuditteihin perustuva kvanttilaskenta on kuitenkin paljon vähemmän kehittynyttä kuin perinteiset kubittipohjaiset lähestymistavat, erityisesti fotoneille, jotka edustavat luonnollisia monitasoisia informaationkantajia, joilla on ratkaiseva rooli kvanttiverkkojen kehityksessä.

Merkittävä este kvanttiporttien toteuttamiselle kahden yksittäisen fotonin välillä on fotonien välisen suoran vuorovaikutuksen rajoittuminen lineaarisessa mediassa.

TU Wienin tutkimusryhmä pystyi teoreettisesti suunnittelemaan järjestelmän kahden kahdessa fotonissa koodatun kuditin käsittelemiseksi yhdessä – ja kiinalainen ryhmä toteutti tämän järjestelmän onnistuneesti laboratoriossaan, mikä johti uudentyyppiseen kvanttiporttiin, jolla on mahdollisesti vallankumouksellisia sovelluksia.

Tähän asti fotoneilla tehdyt kvanttilaskennan kokeet on usein tehty fotonien polarisaation avulla.

”Käytämme fotoneja perustavanlaatuisesti eri tavalla”, selittää Nicolai Friis Wienin teknillisen yliopiston atomi- ja subatomifysiikan laitokselta. ”Meitä ei kiinnosta polarisaatio, vaan fotonien spatiaalinen aaltomuoto, joka voi olla äärettömän monessa eri tilassa, mikä vastaa erilaisia rataimpulsseja.”

Nicolai Friisin tiimi on kehittänyt menetelmän, joka toimii kahden tällaisen fotonin kanssa: Molemmat voivat olla mielivaltaisissa eri aaltomuotojen superpositioissa. Hienostuneen manipuloinnin avulla kaksi alun perin itsenäistä fotonia voidaan saattaa yhteiseen lomittuneeseen tilaan. Samoin uutta kvanttiporttia voidaan käyttää myös kahden lomittuneen fotonin erottamiseen hallitusti, jolloin fotonien tilat saadaan jälleen toisistaan riippumattomiksi.

Juuri tällaista operaatiota – lomittelevaa kvanttiporttia – tarvitaan kvanttitietokoneiden rakentamiseen ja laskelmien suorittamiseen useilla syötteillä. Ensimmäisessä kokeessa tutkijat päättivät työskennellä neljän eri tilan kanssa. ”Tämä on ikään kuin pohjois-etelä- ja itä-länsi-suuntien lisäksi olisi käytettävissä kaksi lisäakselia”, Friis sanoo. ”Jossain mielessä liikutaan neliulotteisessa avaruudessa, ja voimme työskennellä tällaisten tilojen mielivaltaisten yhdistelmien kanssa.”

Teoreettisten ideoiden toteuttaminen ei vaatinut ainoastaan uutta protokollaa, vaan myös teknologian ja kokeellisen tarkkuuden merkittävää parantamista – alueella, jossa Hui-Tian Wangin tiimi Kiinassa edistyi huomattavasti.

”Onnistuimme toteuttamaan kvanttilogiikkaportin, joka toimii kahdella fotonilla, jotka voidaan valmistaa neljän eri tilan yhdistelminä”, sanoo Nicolai Friis.

Tutkijat demosivat kokeellisesti tätä protokollaa toteuttamalla neliulotteisen kudit-kudit-ohjatun vaiheenvaihtoportin, jonka hajottaminen vaatisi vähintään 13 kahden kubitin lomittumisporttia.

Uuden lähestymistavan toivotaan tekevän kvantti-informaatioteknologiasta tehokkaampaa ja vakaampaa eri alueilla. ”Tarvitsemme vähemmän hiukkasia kuljettamaan samaa määrää kvantti-informaatiota”, sanoo Marcus Huber. ”Tällä on monia etuja, myös kvanttioperaatioiden luotettavuuden kannalta.” Uusi tutkimus avaa siis – kirjaimellisesti – uusia ulottuvuuksia kvanttiteknologioille.

Aiheesta aiemmin:

Uutta kvanttilaskentaprotokollaa kuditeilla, ei kubiteilla

Tehostaa salaustekniikkaa kubitit kuditeiksi

Fotoniset kuditit haastavat tekoälyn