Kvanttikylpy synkronoi kaukaisia kubitteja

Tulevaisuuden kvanttilaskenta vaatii korrelaatioita etäisten moduulien välillä – ominaisuus, joka tunnetaan hajautettuna lomittumisena. Perinteisesti tällainen lomittuminen on perustunut aktiiviseen ohjaukseen ja toistuviin mittauksiin.

Nyt Itävallan tiede- ja teknologiainstituutin (ISTA) fyysikot ovat toteuttaneet täysin autonomisen menetelmän hajautetulle lomittumiselle käyttämällä korreloivien valohiukkasten "kvanttikylpyä".

Lomittuminen on kvanttifysiikan keskeinen piirre, jossa jaetut korrelaatiot ylittävät sen, mitä klassiset fysiikan teoriat pystyvät selittämään. Hajautetun lomittumisen saavuttaminen fyysisesti erillisten kubittien välillä voisi mahdollistaa tulevaisuuden edistysaskeleet, kuten skaalautuvat kvanttitietokoneet ja kvanttiverkot.

Etäisten kubittien lomittamiseksi aiemmat yritykset ovat perustuneet kahteen protokollaan. Yhdessä lähestymistavassa yksi, aktiivisesti ohjattu fotoni lähetetään kubitista toiseen. Toisessa lähestymistavassa jokainen kubitti lähettää fotonin, joka on sovitettava yhteen lomittumisen aikaansaamiseksi. Vaikka toinen menetelmä sai vuoden 2022 fysiikan Nobel-palkinnon, se vaatii monia toistuvia mittauksia ja jälkivalintaa, eikä vieläkään aina johda lomittumiseen.

Nyt tohtoriopiskelija Alejandro Andrés-Juanes ja professori Johannes Fink Itävallan tiede- ja teknologiainstituutista (ISTA) ovat tehneet kansainvälistä yhteistyötä suunnitellakseen kvanttikylvyn, joka synkronoi automaattisesti kaukaisten kubittien "tanssin".

Kehittämällä prototyyppilaitteen, joka käyttää yhteistä korreloivien valohiukkasten lähdettä kahden kaukaisen kubitin lomittumiseen, tiimi osoitti ensimmäistä kertaa yli 20 vuotta sitten ehdotetun teorian.

Yksi kvanttilaskennan sovellusten suurimmista haasteista on kubittien lomittumisen ja kvanttikoherenssin ylläpitäminen.

”Menetelmässämme kvanttikylpy – eli kubittien ympäristö – on lomittumisen lähde. Se luo uuden perustilan jatkuvan korreloituneiden fotonien virran kautta”, Fink sanoo. ”Tällä tavoin lomittunut kubittien tila vakautuu jopa kubittien oman ’elinajan’ ulkopuolella ja pysyy aina käytettävissä resurssina jatkokvanttiprosessoinnille. Tämä tekee lähestymistavasta käsitteellisesti merkittävän.” Kun lomittuminen on aina käytettävissä, tutkijat voivat hakea sen tarvittaessa. Tämä on vastakohta lyhytaikaiselle lomittumiselle, jota heidän on käytettävä, kun se sattuu olemaan olemassa.

Saadakseen kubitit vuorovaikuttamaan lomittuneiden fotonien lähteen kanssa, tiimi käytti tietyntyyppisiä valohiukkasia – mikroaaltofotoneja. Nämä matalaenergiset valohiukkaset soveltuvat hyvin kvantti-informaation manipulointiin ja muodostavat perustan nykypäivän johtavalle suprajohtavalle kubittiteknologialle. Toisaalta optisia fotoneja käytetään tyypillisesti optiikassa ja atomifysiikassa. Lisäksi optiset fotonit voisivat auttaa siirtämään kvantti-informaatiota etäisten kvanttitietokoneiden välillä valokuidun kautta, mikä on toinen Fink-ryhmän tutkimusintressi ISTA:ssa.

ISTA-tiimin laiteprototyyppi voisi avata mahdollisuuksia kvanttioptiikan kokeiluille ja kvanttiprosessorien skaalaamiselle kohti vikasietoista toimintaa.

Aiheesta aiemmin:

Lomittuneet fotonit keskeisenä resurssina kvanttiteknologioille

Uutta kvanttitoiminnallisuutta kvanttimateriaaleihin

Uudenlainen kvanttilomittuminen