Un equipo de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha demostrado un nuevo método para dividir los haces de luz en sus modos de frecuencia. Luego, los científicos pueden elegir las frecuencias con las que quieren trabajar y codificar fotones con información cuántica. Su trabajo podría impulsar avances en el procesamiento de información cuántica y la computación cuántica distribuida.

Los hallazgos del equipo se publicaron en Cartas de revisión física .

La frecuencia de la luz determina su color. Cuando las frecuencias están separadas, como en un arcoiris, cada fotón de color se puede codificar con información cuántica, entregado en unidades conocidas como qubits. Los Qubits son análogos pero diferentes a los bits clásicos, que tienen un valor de 0 o 1, porque los qubits están codificados con valores de 0 y 1 al mismo tiempo.

Los investigadores comparan el procesamiento de información cuántica con entrar en un pasillo y poder ir en ambos sentidos, mientras que en la computación clásica solo es posible una ruta.

El enfoque novedoso del equipo, que presenta la primera demostración de un tritter de frecuencia, un instrumento que divide la luz en tres frecuencias, arrojó resultados experimentales que coincidieron con sus predicciones y mostró que muchas operaciones de procesamiento de información cuántica se pueden ejecutar simultáneamente sin aumentar el error. El sistema cuántico funcionó como se esperaba en condiciones cada vez más complejas sin degradar la información codificada.

"En nuestras condiciones experimentales, obtuvimos un factor 10 mejor que las tasas de error típicas, "dijo Nicholas Peters, Líder del equipo de Comunicaciones Cuánticas del Grupo de Ciencia de la Información Cuántica de ORNL. "Esto establece nuestro método como pionero en el procesamiento de información cuántica basado en frecuencias de alta dimensión".

Los fotones pueden transportar información cuántica en superposiciones, donde los fotones tienen simultáneamente múltiples valores de bits, y la presencia de dos sistemas cuánticos en superposición puede conducir a un entrelazamiento. un recurso clave en la computación cuántica.

El entrelazamiento aumenta la cantidad de cálculos que podría ejecutar una computadora cuántica, y el enfoque del equipo en la creación de estados de frecuencia más complejos tiene como objetivo hacer que las simulaciones cuánticas sean más potentes y eficientes. El método de los investigadores también es notable porque demuestra la puerta Hadamard, uno de los circuitos elementales necesarios para la computación cuántica universal.

"Pudimos demostrar resultados de alta fidelidad desde el principio, lo cual es muy impresionante para el enfoque óptico, "dijo Pavel Lougovski, investigador principal del proyecto. "Estamos creando un subcampo aquí en ORNL con nuestro trabajo de codificación basado en frecuencia".

El método aprovecha la tecnología de telecomunicaciones ampliamente disponible con componentes listos para usar mientras produce resultados de alta fidelidad. Esfuerzos para desarrollar repetidores cuánticos, que extienden la distancia, la información cuántica se puede transmitir entre computadoras separadas físicamente, se beneficiará de este trabajo.

"El hecho de que nuestro método sea compatible con la red de telecomunicaciones es una gran ventaja, ", Dijo Lougovski." Podríamos realizar operaciones cuánticas en redes de telecomunicaciones si fuera necesario ".

Peters agregó que su proyecto demuestra que el ancho de banda de fibra óptica no utilizado podría aprovecharse para reducir el tiempo computacional ejecutando operaciones en paralelo.

"Nuestro trabajo utiliza la principal ventaja de la frecuencia, la estabilidad, para obtener una fidelidad muy alta y luego realizar saltos de frecuencia controlados cuando lo deseamos, "dijo Joseph Lukens, miembro de Wigner, quien dirigió el experimento ORNL. Los investigadores han demostrado experimentalmente que los sistemas cuánticos se pueden transformar para producir los resultados deseados.

Los investigadores sugieren que su método podría combinarse con la tecnología de división de haz existente, aprovechando las fortalezas de ambos y acercando a la comunidad científica al uso completo del procesamiento de información cuántica fotónica basado en frecuencia.

Peters, Lougovski y Lukens, todos los físicos del Grupo de Ciencias de la Información Cuántica de ORNL, colaboró ​​con el estudiante de posgrado Hsuan-Hao Lu, profesor Andrew Weiner, y colegas de la Universidad Purdue. El equipo publicó la teoría de sus experimentos en Optica en enero de 2017.