Por primera vez, Los investigadores han demostrado una forma de mapear y medir la correlación cuántica fotónica a gran escala con la sensibilidad de un solo fotón. La capacidad de medir miles de instancias de correlación cuántica es fundamental para hacer práctica la computación cuántica basada en fotones.

En Optica , La revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, un grupo multiinstitucional de investigadores informa sobre la nueva técnica de medición, lo que se denomina correlación en imágenes a nivel de fotones mapeadas espacialmente (COSPLI). También desarrollaron una forma de detectar señales de fotones individuales y sus correlaciones en decenas de millones de imágenes.

"COSPLI tiene el potencial de convertirse en una solución versátil para realizar mediciones de partículas cuánticas en computadoras cuánticas fotónicas a gran escala, "dijo el líder del equipo de investigación Xian-Min Jin, de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, Porcelana. "Este enfoque único también sería útil para la simulación cuántica, comunicación cuántica, detección cuántica e imágenes biomédicas de fotón único ".

Fotones interactuando

La tecnología de computación cuántica promete ser significativamente más rápida que la computación tradicional, que lee y escribe datos codificados como bits que son cero o uno. En lugar de bits, La computación cuántica usa qubits que pueden estar en dos estados al mismo tiempo e interactuarán, o correlacionar, juntos. Estos qubits, que puede ser un electrón o un fotón, Permiten realizar muchos procesos simultáneamente.

Un desafío importante en el desarrollo de las computadoras cuánticas es encontrar una forma de medir y manipular los miles de qubits necesarios para procesar conjuntos de datos extremadamente grandes. Para métodos basados ​​en fotones, el número de qubits se puede aumentar sin utilizar más fotones aumentando el número de modos codificados en grados fotónicos de libertad, como la polarización, frecuencia, tiempo y ubicación:medidos para cada fotón. Esto permite que cada fotón exhiba más de dos modos, o estados, simultaneamente. Los investigadores utilizaron previamente este enfoque para fabricar los chips cuánticos fotónicos más grandes del mundo, que podría poseer un espacio de estado equivalente a miles de qubits.

Sin embargo, La incorporación de los nuevos chips cuánticos fotónicos en una computadora cuántica requiere medir todos los modos y sus correlaciones fotónicas a un nivel de fotón único. Hasta ahora, la única forma de lograr esto sería usar un detector de fotón único para cada modo exhibido por cada fotón. Esto requeriría miles de detectores de fotón único y costaría alrededor de 12 millones de dólares por una sola computadora.

"Es económicamente inviable y técnicamente desafiante abordar miles de modos simultáneamente con detectores de fotón único, ", dijo Jin." Este problema representa un cuello de botella decisivo para la realización de una computadora cuántica fotónica a gran escala ".

Sensibilidad de fotón único

Aunque las cámaras CCD disponibles en el mercado son sensibles a fotones individuales y mucho más baratas que los detectores de fotones individuales, las señales de los fotones individuales a menudo se ven oscurecidas por grandes cantidades de ruido. Después de dos años de trabajo, los investigadores desarrollaron métodos para suprimir el ruido de modo que pudieran detectarse fotones individuales con cada píxel de una cámara CCD.

El otro desafío fue determinar la polarización de un solo fotón, frecuencia, hora y lugar, cada uno de los cuales requiere una técnica de medición diferente. Con COSPLI, las correlaciones fotónicas de otros modos se asignan todas al modo espacial, que permite medir correlaciones de todos los modos con la cámara CCD.

Para demostrar COSPLI, los investigadores utilizaron su enfoque para medir los espectros conjuntos de fotones correlacionados en diez millones de cuadros de imagen. Los espectros reconstruidos coincidieron bien con los cálculos teóricos, demostrando así la fiabilidad del método de medición y mapeo, así como la detección de fotón único. Los investigadores ahora están trabajando para mejorar la velocidad de imagen del sistema de decenas a millones de fotogramas por segundo.

"Sabemos que es muy difícil construir una computadora cuántica práctica, y aún no está claro qué implementación será la mejor, ", dijo Jin." Este trabajo añade confianza en que una computadora cuántica basada en fotones puede ser una ruta práctica a seguir ".