El procesador de frecuencia cuántica del equipo opera con fotones (esferas) a través de puertas cuánticas (cajas), sinónimo de circuitos clásicos para la computación cuántica. Las superposiciones se muestran mediante esferas a caballo entre varias líneas; los entrelazamientos se visualizan como nubes. Crédito:Andy Sproles / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han demostrado un nuevo nivel de control sobre los fotones codificados con información cuántica. Su investigación fue publicada en Optica .
Joseph Lukens, Brian Williams, Nicholas Peters, y Pavel Lougovski, científicos de investigación del Grupo de Ciencia de la Información Cuántica de ORNL, realizado distinto, operaciones independientes simultáneamente en dos qubits codificados en fotones de diferentes frecuencias, una capacidad clave en la computación cuántica óptica lineal. Los qubits son la unidad más pequeña de información cuántica.
Los científicos cuánticos que trabajan con qubits codificados en frecuencia han podido realizar una sola operación en dos qubits en paralelo, pero eso se queda corto para la computación cuántica.
"Para realizar la computación cuántica universal, necesita poder realizar diferentes operaciones en diferentes qubits al mismo tiempo, y eso es lo que hemos hecho aquí "Dijo Lougovski.
Según Lougovski, El sistema experimental del equipo, dos fotones entrelazados contenidos en una sola hebra de cable de fibra óptica, es la "computadora cuántica más pequeña que puedas imaginar. Este artículo marca la primera demostración de nuestro enfoque basado en frecuencias para la computación cuántica universal".
"Muchos investigadores están hablando sobre el procesamiento de información cuántica con fotones, e incluso usando frecuencia, ", dijo Lukens." Pero nadie había pensado en enviar múltiples fotones a través de la misma hebra de fibra óptica, en el mismo espacio, y operar sobre ellos de manera diferente ".
El procesador de frecuencia cuántica del equipo les permitió manipular la frecuencia de los fotones para provocar la superposición, un estado que permite las operaciones cuánticas y la computación.
A diferencia de los bits de datos codificados para la informática clásica, Los qubits superpuestos codificados en la frecuencia de un fotón tienen un valor de 0 y 1, en lugar de 0 o 1. Esta capacidad permite a las computadoras cuánticas realizar simultáneamente operaciones en conjuntos de datos más grandes que las supercomputadoras actuales.
Usando su procesador, los investigadores demostraron una visibilidad de interferencia del 97 por ciento, una medida de cuán parecidos son dos fotones, en comparación con la tasa de visibilidad del 70 por ciento obtenida en una investigación similar. Su resultado indicó que los estados cuánticos de los fotones eran prácticamente idénticos.
Los investigadores también aplicaron un método estadístico asociado con el aprendizaje automático para demostrar que las operaciones se realizaron con una fidelidad muy alta y de una manera completamente controlada.
La configuración experimental innovadora de los investigadores implicó operar con fotones contenidos dentro de un solo cable de fibra óptica. Esto proporcionó estabilidad y control para las operaciones que producen fotones entrelazados, se muestran separados en la parte superior y entrelazados en la parte inferior después de las operaciones realizadas por el procesador (centro), y demostró además la viabilidad de la tecnología de telecomunicaciones estándar para el procesamiento de información cuántica óptica lineal. Crédito:Andy Sproles / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
"Pudimos extraer más información sobre el estado cuántico de nuestro sistema experimental utilizando la inferencia bayesiana que si hubiésemos utilizado métodos estadísticos más comunes". "Dijo Williams.
"Este trabajo representa la primera vez que el proceso de nuestro equipo ha arrojado un resultado cuántico real".
Williams señaló que su configuración experimental proporciona estabilidad y control. "Cuando los fotones toman diferentes caminos en el equipo, experimentan diferentes cambios de fase, y eso lleva a la inestabilidad, ", dijo." Cuando viajan a través del mismo dispositivo, en este caso, la hebra de fibra óptica, tienes un mejor control ".
La estabilidad y el control permiten operaciones cuánticas que preservan la información, reducir el tiempo de procesamiento de la información, y mejorar la eficiencia energética. Los investigadores compararon sus proyectos en curso, iniciado en 2016, para construir bloques que se unirán para hacer posible la computación cuántica a gran escala.
"Hay pasos que debes seguir antes de dar el siguiente, paso mas complicado, Peters dijo. "Nuestros proyectos anteriores se centraron en el desarrollo de capacidades fundamentales y nos permiten trabajar ahora en el dominio totalmente cuántico con estados de entrada totalmente cuánticos".
Lukens dijo que los resultados del equipo muestran que "podemos controlar los estados cuánticos de los qubits, cambiar sus correlaciones, y modificarlos utilizando tecnología de telecomunicaciones estándar de formas que sean aplicables al avance de la computación cuántica ".
Una vez que los componentes básicos de las computadoras cuánticas estén en su lugar, él agregó, "podemos empezar a conectar dispositivos cuánticos para construir la Internet cuántica, cual es el siguiente, emocionante paso ".
La forma en que la información se procesa de manera diferente de una supercomputadora a otra, reflejando diferentes desarrolladores y prioridades de flujo de trabajo, Los dispositivos cuánticos funcionarán usando diferentes frecuencias. Esto hará que sea difícil conectarlos para que puedan trabajar juntos de la forma en que las computadoras actuales interactúan en Internet.
Este trabajo es una extensión de las demostraciones anteriores del equipo de las capacidades de procesamiento de información cuántica en la tecnología de telecomunicaciones estándar. Es más, ellos dijeron, aprovechar la infraestructura de red de fibra óptica existente para la computación cuántica es práctico:se han invertido miles de millones de dólares, y el procesamiento de información cuántica representa un uso novedoso.
Los investigadores dijeron que este aspecto de "círculo completo" de su trabajo es muy satisfactorio. "Comenzamos nuestra investigación juntos con el deseo de explorar el uso de tecnología de telecomunicaciones estándar para el procesamiento de información cuántica, y hemos descubierto que podemos volver al dominio clásico y mejorarlo, "Dijo Lukens.
