Loistava rubidiumatomi optisessa ontelossa. (Max Planck Institute of Quantum Optics) Uusi menetelmä valofragmenttien kohtaloiden yhdistämiseksi on voittanut vakavia esteitä matkalla kohti fotonipohjaista kvanttilaskenta .
Saksalaisen Max Planckin kvanttioptiikan instituutin tutkijat ovat onnistuneesti sotkeneet 14 fotonia optimaalisena pidetty tila kubittien osalta yli kaksinkertaistaa aiemmat yritykset – ja samalla parantaa niiden tehokkuutta.
Toisin kuin binäärikoodin 'bitit' tavanomaisempien laskentatekniikan muotojen takana, qubits esiintyvät todennäköisyystilassa, jota kutsutaan superpositioksi, ja se käyttäytyy kuin käännetty kolikko, kun se putoaa ilmassa.
Kvanttikolikkoryhmien putoamiseen perustuvat algoritmit voivat lyhentää melko monimutkaisia matematiikkaa, mutta vain, jos ympäristö ei tahattomasti räjäytä niiden yhteistä pyörimistä.
Tätä kutsutaan dekoherenssiksi keskeytys hiukkasen superpositioon on valtava este insinööreille, jotka suunnittelevat hyödyllistäkvanttitietokoneet.
Teoriassa tilojen kvanttisuperpositiossa voi olla melkein mitä tahansa, elektroneista atomeihin ja kokonaisia molekyylejä (tai isompi). Mutta epäkoherenssin rajoittamiseksi pienemmät ja yksinkertaisemmat esineet vievät kakun.
Fotonit tekevät ihanteellisia kubitteja. Valitettavasti käytännöllinen kvanttitietokoneet tarvitsee paljon kubitteja. Tuhansia . Jopa miljoonia. Mitä enemmän sen parempi. Niiden kaikkien ei tarvitse vain pyöriä superpositiossa kerralla, vaan heidän kohtalonsa on jaettava. Tai fysiikan termiä käyttäen sotkeutunut.
Tässä tulee haaste vastaan.
On olemassa suhteellisen helppoja tapoja sotkeutua fotonipareihin . Pakota atomi säteilemään valoaaltoa ja jaa se sitten käyttämällä erityistä näyttöä, niin saat kaksi fotonia, joilla on yhteinen historia.
Vaikka ne pysyvät lennossa vastaavien ominaisuuksiensa kanssa, joita ei vielä mitata, ne toimivat enemmän tai vähemmän kuin pyörivä kolikko. Lopulta toinen nousee päätä ja toinen häntää.
Enemmän kuin kahden fotonin yhdistämisestä tulee enemmän haastetta.
Kokeet kvanttipisteiksi kutsutuilla esineillä ovat onnistuneet sotkemaan 3-4 fotonin ketjuja. Sen lisäksi, että on epätodennäköistä, että koskaan tuotettaisiin satoja ja tuhansia, joita tarvitaan ayhtä paljon kuin tietokone, tila sotkeutuminen Tämän lähestymistavan käyttö ei ole niin luotettavaa kuin insinöörit haluaisivat.
Uusimmat tutkimukset, joissa on käytetty atomeja, joilla on suuret elektroniradat, kutsutaan Rydberg-atomeiksi , ovat tuottaneet jopa kuusi sotkeutunutta fotonia, kaikki tehokkaasti kietoutuneessa muodossa. Vaikka menetelmä voisi tuottaa erittäin nopeita laskentakomponentteja, se ei ole myöskään helposti skaalautuva vaihtoehto.
Tämä uusin ratkaisu voisi teoriassa tuottaa minkä tahansa määrän kietoutuneita fotoneja, kaikki ihanteellisessa tilassa.
'Tämän kokeen temppu oli, että käytimme yhtä atomia fotonien emittoimiseen ja niiden yhdistämiseen hyvin erityisellä tavalla.' sanoo fysiikan tohtoriopiskelija ja johtava kirjailija Philip Thomas.
Rubidiumatomi kutitettiin säteileviksi valoaalloiksi, jotka kanavoitiin onteloon, joka oli muotoiltu heijastamaan niitä edestakaisin erittäin tarkasti.
Hienosäätämällä rubidiumin hehkumistapaa jokainen fotoni voitiin sotkeutua koko atomin tilaan – mikä tarkoittaa, että jokainen ontelossa edestakaisin pomppiva fotoni sotkeutui myös huomattavaan määrään sisaruksiaan.
'Koska fotoniketju syntyi yhdestä atomista, se voitiin tuottaa deterministisellä tavalla.' sanoo Thomas.
Tässä tapauksessa ryhmä onnistui sotkemaan 12 fotonia vähemmän tehokkaaseen lineaariklusteriin ja 14 arvokkaaseen klusteriin. Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) tila.
'Parhaan tietomme mukaan 14 toisiinsa kytkettyä valohiukkasta ovat suurin määrä kietoutuneita fotoneja, jotka on tähän mennessä syntynyt laboratoriossa', Thomas sanoo.
Sen lisäksi, että ne kykenivät sotkemaan niin monia fotoneja, tämän menetelmän tehokkuus parani aikaisempiin prosesseihin verrattuna, sillä lähes joka toinen fotoni tarjosi siististi sotkeutuneita kubitteja.
Tulevissa asetuksissa on otettava käyttöön toinen atomi, jotta saataisiin tarvittavat kubitit moniin kvanttilaskentatoimintoihin. Sotkeutuneiden fotonien käyttäminen hanassa voisi tarjota perustan teknologialle, joka ei ole laskentaa ja miehitystä keskeinen rooli kvanttisalatussa viestinnässä .
Tämä tutkimus julkaistiin vuonna Luonto .