Multipleksoitu kvanttifotoninen rajapinta

Osakan yliopiston QIQB-keskuksen professori Takashi Yamamoto on yhteistyössä Japanin tieto- ja viestintätekniikan instituutin (NICT) ja Hamamatsu Photonics KK:n kanssa onnistuneesti esitellyt maailmanennätyksellisen 10-kanavaisen multipleksoidun kvanttifotonisen rajapinnan, joka perustuu integroituun aaltojohderyhmään.

Tällainen olisi keskeinen teknologia useiden kvanttitietokoneiden optiseen yhteenliittämiseen.

Neutraalien atomien kvanttitietokoneiden odotetaan käyttävän noin 10 000 atomin matriiseja, joissa jokainen atomi toimii kubittina. Vikasietoisten universaalien kvanttitietokoneiden odotetaan kuitenkin tarvitsevan yli miljoona kubittia virheenkorjaukseen.

Yksi lupaava tapa saavuttaa tämä mittakaava on siksi useiden kvanttiprosessorien yhdistäminen jakamalla lomittuneet fotonit niiden kesken. Tämä edellyttää multipleksoitua kvanttifotonista rajapintaa, joka pystyy linkittämään useita kubitteja rinnakkain.

Aiemmat multipleksointimenetelmät perustuivat pääasiassa rinnakkaisiin optisiin kuituihin ja rajoittuivat vain muutamaan kanavaan. Niiden riittämätön integrointitiheys ja laaja atomien välinen etäisyys tekivät niistä myös vaikeasti sovellettavia tavanomaisiin neutraalien atomien kvanttitietokoneisiin.

Tässä tutkimuksessa professori Yamamoton tutkimusryhmä kehitti optisen järjestelmän, joka sisältää integroidun optisen aaltojohderyhmän, ja demonstroi rinnakkaisten fotonien kulkeutumista ja havaitsemista neutraalien atomien ryhmästä. Mikrometrin välein toisistaan sijoitettujen 10 atomin lähettämät fotonit kytkettiin 32-kanavaisen aaltojohderyhmän kymmeneen rinnakkaiseen kanavaan, lähetettiin optisten kuitujen kautta ja havaittiin rinnakkain.

Koe vahvisti myös merkityksettömän kanavien välisen ylikuulumisen ja korrelaatiot atomien kvanttitilojen ja emittoituneiden fotonien polarisaatiotilojen välillä, mikä tukee rajapinnan potentiaalia multipleksoituun atomi-fotoni lomittuneeseen toimintaan ja kvanttiprosessorien verkostoitumiseen. Lähestymistavan odotetaan skaalautuvan noin 100 rinnakkaiseen kanavaan.

”Neutraalien atomien matriiseista suprajohtaviin nanoliuskaisiin fotonidetektorijärjestelmiin ulottuvan tutkimus- ja kehitystyön avulla olemme saavuttaneet ensimmäisen demonstraation multipleksoidusta optisesta rajapinnasta”, professori Yamamoto toteaa. ”Jatkossa skaalaamme multipleksoinnin astetta ja työskentelemme neutraalien atomien kvanttitietokoneiden yhdistämiseksi, mikä nopeuttaa edistymistä kohti vikasietoista verkotettua kvanttitietokonetta.”

Aiheesta aiemmin:

Se on pienestä kiinni

Neutraaliatomien matriisit, metapinnat ja kvanttikapasitanssi

Kvanttitietokoneita atomeihin perustuen