Квантовые исследователи ORNL Джозеф Люкенс, Павел Луговски, Брайан Уильямс и Николас Петерс вместе с сотрудниками из Университета Пердью и Технологического университета Перейры в Колумбии обобщили результаты нескольких своих недавних научных статей в специальном выпуске журнала Оптического общества. Новости оптики и фотоники, в которых представлены некоторые из наиболее значительных результатов исследований в области оптики в 2019 году. Их работа была одной из 30, выбранных для публикации из 91.
Обычные компьютерные «биты» имеют значение 0 или 1, но квантовые биты, называемые «кубитами», могут существовать в суперпозиции квантовых состояний, обозначенных 0 и 1. Эта способность делает квантовые системы перспективными для передачи, обработки, хранения и шифрования огромных объемов информации с беспрецедентной скоростью.
Для изучения фотонов – отдельных частиц света, которые могут действовать как кубиты – исследователи использовали источники света, называемые квантовыми оптическими частотными гребенками, которые содержат множество точно определенных длин волн. Поскольку они движутся со скоростью света и не взаимодействуют с окружающей средой, фотоны являются естественной платформой для переноса квантовой информации на большие расстояния.
Взаимодействия между фотонами, как известно, сложно вызвать и контролировать, но эти возможности необходимы для эффективных квантовых компьютеров и квантовых вентилей, которые представляют собой квантовые схемы, работающие на кубитах.
Несуществующие или непредсказуемые фотонные взаимодействия делают разработку двухфотонных квантовых вентилей намного сложнее, чем стандартные однофотонные вентили, но исследователи достигли нескольких важных вех в недавних исследованиях, направленных на решение этих проблем.
Например, они внесли изменения в существующее телекоммуникационное оборудование, используемое в исследованиях оптики, чтобы оптимизировать его для квантовой фотоники.
Их результаты показали новые способы использования этих ресурсов как для традиционной, так и для квантовой коммуникации.
«Использование этого оборудования для манипулирования квантовыми состояниями является технологической основой всех этих экспериментов, но мы не ожидали, что сможем двигаться в другом направлении и улучшить классическую коммуникацию, работая над квантовой коммуникацией», – сказал Люкенс. "Эти интересные и неожиданные результаты появились по мере того, как мы углубляемся в эту область исследований."
Один из таких инструментов, частотный делитель луча, делит одиночный луч света на две частоты или цвета света.
«Представьте, что у вас есть луч света, идущий по оптическому волокну с определенной частотой, скажем, красным», – сказал Люкенс. "Затем, пройдя через делитель частотного луча, фотон уйдет с двумя частотами, поэтому он будет и красным, и синим."
Члены этой команды были первыми исследователями, успешно разработавшими квантовый частотный делитель пучка со стандартной технологией световой связи. Это устройство одновременно принимает красный и синий фотоны, а затем вырабатывает энергию либо с красной, либо с синей частотой.
Используя этот метод для преднамеренного изменения частот фотонов, команда обманом заставила упрямые частицы создать полезные взаимодействия, основанные на квантовой интерференции, феномене фотонов, мешающих их собственным траекториям.
«Оказалось, что стандартные устройства могут обеспечить впечатляющий контроль на уровне однофотонных изображений, о котором люди даже не подозревали», – сказал Луговски.
Кроме того, исследователи завершили первую демонстрацию частотного триттера, который разделяет луч света на три разные частоты вместо двух.
Их результаты показали, что несколько операций обработки квантовой информации могут выполняться одновременно, не вызывая ошибок и не повреждая данные.
Другим ключевым достижением была разработка и демонстрация логического элемента управляемого НЕ, основанного на совпадениях, который позволяет одному фотону управлять сдвигом частоты в другом фотоне. Это устройство завершило набор универсальных квантовых вентилей, что означает, что любой квантовый алгоритм может быть выражен как последовательность внутри этих вентилей.
«Приложения квантовых вычислений требуют гораздо более впечатляющих уровней управления, чем любые виды классических вычислений», – сказал Луговски.
Команда также закодировала квантовую информацию в нескольких независимых значениях, известных как степени свободы в пределах одного фотона, что позволило им наблюдать эффекты, подобные квантовой запутанности, без необходимости использования двух отдельных частиц. Запутывание обычно включает две связанные частицы, в которых изменения, внесенные в состояние одной частицы, также применяются к другой.
Наконец, исследователи завершили квантовое моделирование реальных физических проблем.
В сотрудничестве с учеными из Исследовательской лаборатории ВВС они сейчас разрабатывают крошечные специализированные кремниевые чипы, аналогичные тем, которые используются в микроэлектронике, в стремлении добиться еще лучших фотонных характеристик.
«Теоретически мы можем перенести все эти операции на один фотонный чип, и мы видим большой потенциал для проведения подобных квантовых экспериментов на этой новой платформе», – сказал Люкенс. "Это следующий шаг на пути к дальнейшему развитию этой технологии."
Квантовые компьютеры будущего позволят ученым моделировать невероятно сложные научные задачи, которые невозможно будет изучить на существующих системах, даже на суперкомпьютерах. Между тем, выводы команды могут помочь исследователям встроить фотонные системы в современные высокопроизводительные вычислительные ресурсы.
«У нас очень разнообразная и талантливая команда, – сказал Луговски. "Самое главное, что мы получаем результаты."
Это исследование финансировалось программой исследований и разработок ORNL.