Stoją za nim przedstawiciele Uniwersytetu Tsinghua oraz Hefei National Laboratory. Wspólnymi siłami opracowali nową metodę łączenia mniejszych grup splątanych fotonów mikrofalowych w większe, programowalne struktury kwantowe. Wykorzystując układ oparty na nadprzewodzących obwodach, zademonstrowali splątanie obejmujące aż 13 kubitów fotonicznych. O swoich działaniach piszą na łamach Nature Physics.
Czytaj też: Komputer kwantowy odtworzył zjawisko, które zmieniło sposób myślenia o polu magnetycznym
Komputery kwantowe wykorzystują prawa mechaniki kwantowej do przechowywania i przetwarzania informacji. Ich podstawowymi jednostkami są kubity, które w przeciwieństwie do klasycznych bitów mogą wykorzystywać zjawiska takie jak superpozycja i splątanie kwantowe. To właśnie splątanie, czyli szczególny rodzaj powiązania stanów kwantowych cząstek, odgrywa istotną rolę w wielu koncepcjach obliczeń kwantowych. Jednym z głównych wyzwań stojących przed naukowcami jest tworzenie coraz większych grup splątanych kubitów, których właściwości można wykorzystać do realizacji złożonych operacji obliczeniowych.
Być może najbardziej interesującym rozwiązaniem są tzw. stany grafowe. W takich strukturach kubity można przedstawić jako węzły sieci, a splątanie między nimi jako połączenia. Odpowiednie zaprojektowanie tych powiązań ma znaczenie między innymi dla obliczeń kwantowych, komunikacji oraz przesyłania informacji w sieciach kwantowych.
Dotychczas jednym z problemów związanych z tworzeniem dużych stanów grafowych była trudność w skutecznym łączeniu mniejszych grup splątanych cząstek. Jedną z wykorzystywanych koncepcji jest fuzja, a więc operacja pozwalająca połączyć dwie mniejsze struktury kwantowe w jedną większą. Tradycyjne metody fuzji, stosowane między innymi w rozwiązaniach wykorzystujących elementy optyczne, często mają charakter probabilistyczny. Oznacza to, iż nie każda próba kończy się powodzeniem. Konieczność wielokrotnego powtarzania operacji zwiększa zapotrzebowanie na zasoby i utrudnia skalowanie całego systemu.
Zespół badawczy postanowił sprawdzić, czy można ominąć to ograniczenie, wykorzystując pomiar kwantowy, który pozwala uzyskać informacje o układzie bez niszczenia mierzonego stanu w sposób typowy dla standardowych pomiarów. Efekt? Powstał nadprzewodzący układ elektroniczny, który służy do generowania fotonów mikrofalowych tworzących niewielkie stany splątane. Następnie specjalny detektor wykonuje pomiar parzystości wybranych par fotonów, wykorzystując technikę pomiaru kwantowego nieburzącego, skrótowo znaną jako QND.
Czytaj też: Arktyka zadzwoniła na Antarktydę przez satelity. Chiny chcą własnego Starlinka
Taki pomiar pozwala uzyskać informację o określonej właściwości układu bez niszczenia fotonów, umożliwiając ich dalsze wykorzystanie. W efekcie dwie mniejsze struktury mogą zostać połączone w większy stan grafowy. Istotnym elementem przyjętej strategii jest również możliwość przestrajania częstotliwości. Dzięki temu badacze mogą wybierać, które fotony mają zostać połączone, a tym samym kontrolować układ połączeń w powstającej strukturze kwantowej.
Przeprowadzony eksperyment pozwolił uczonym wykazać istnienie rzeczywistego splątania wielocząstkowego obejmującego 13 kubitów fotonicznych. Oznacza to, że splątanie dotyczyło całej badanej grupy, a nie wyłącznie kilku niezależnych, mniejszych podukładów. Jak podkreślają autorzy, ich metoda stanowi potencjalny wstęp do budowania większych i bardziej złożonych stanów grafowych poprzez łączenie mniejszych struktur przygotowywanych na żądanie. Takie podejście może okazać się przydatne w obliczeniach kwantowych opartych na pomiarach, rozwoju sieci kwantowych oraz wybranych metodach korekcji błędów kwantowych.
Źródło: Nature Physics
