Los protocolos de información cuántica se basan en una variedad de modos de entrelazamiento como Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) y otros estados del clúster. Para la preparación a pedido, estos estados se pueden realizar con fuentes de luz comprimidas en óptica, pero tales experimentos carecen de versatilidad ya que requieren una variedad de circuitos ópticos para realizar individualmente diversos estados de entrelazamiento. En un estudio reciente, Shuntaro Takeda y sus colegas de los departamentos interdisciplinarios de Física Aplicada e Ingeniería en Japón abordaron la deficiencia desarrollando un sintetizador de entrelazamiento bajo demanda. Usando la configuración experimental, los físicos generaron de forma programable estados entrelazados a partir de una única fuente de luz comprimida.

En el trabajo, utilizaron un circuito basado en bucle controlado dinámicamente a escalas de tiempo de nanosegundos para procesar pulsos ópticos en el dominio del tiempo. Los científicos generaron y verificaron cinco estados entrelazados diferentes a pequeña escala y un grupo grande que contiene más de 1000 modos en una sola configuración sin cambiar el circuito óptico. El circuito desarrollado por Takeda et al. podría almacenar y liberar una parte de los estados entrelazados generados para funcionar como una memoria cuántica. El informe experimental publicado el Avances de la ciencia , abrirá una nueva forma de construir sintetizadores de entrelazamiento general bajo demanda utilizando un procesador cuántico escalable.

El entrelazamiento es esencial para muchos protocolos de información cuántica en regiones de qubit y variables continuas (CV), donde realizan una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, el estado de dos modos de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) es el más utilizado, estado entrelazado al máximo como un bloque de construcción para la comunicación cuántica de dos partes y para puertas lógicas cuánticas basadas en la teletransportación cuántica. La versión generalizada de este estado es un estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) en modo n central para construir una red cuántica, donde el estado cuántico de GHZ se puede compartir entre n participantes. Por ejemplo, los n participantes pueden comunicarse entre sí para compartir secretos cuánticos. Para la computación cuántica, por otro lado, un tipo especial de entrelazamiento conocido como estados de clúster ha atraído mucha atención como recurso universal para permitir el cálculo cuántico unidireccional.

El método más conveniente y bien establecido en uso en la actualidad para preparar determinísticamente estados fotónicos entrelazados implica mezclar luz exprimida utilizando redes divisorias de haz para generar entrelazamiento en el régimen de variable continua (CV). Los físicos han demostrado recientemente estados entrelazados a gran escala exprimiendo fuentes de luz multiplexadas en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia. El método no fue versátil ya que tuvieron que diseñar una variedad de configuraciones ópticas para producir el estado específico de entrelazamiento. Los físicos habían informado previamente la caracterización programable de varios tipos de entrelazamiento en estados cuánticos multimodo utilizando mediciones de posprocesamiento o cambiando la base de medición. La síntesis directa de una variedad de estados de entrelazamiento en un programable, de manera determinista dentro de un marco único sigue siendo una tarea desafiante en la actualidad, por lo tanto.

En el presente trabajo, Takeda y col. propuso un sintetizador fotónico a pedido para producir de manera programable un conjunto importante de estados entrelazados para resolver el desafío existente al incluir:

1. Un estado EPR
2. Un estado GHZ en modo n, y
3. Un estado de cúmulo lineal o en forma de estrella en modo n para n≥2, en una sola instalación.

Basaron el sintetizador en una dinámica, circuito fotónico controlable que procesa pulsos ópticos en el dominio del tiempo. Usando el circuito, los científicos verificaron la generación programable de una variedad de estados entrelazados. La configuración también podría almacenar y liberar una parte del estado entrelazado generado para que funcione como una memoria cuántica. El nuevo método ofrece una ruta prometedora hacia la procesabilidad de la información cuántica fotónica, que incluye escalabilidad y programabilidad.

Al formar el concepto de un sintetizador de entrelazamiento, los científicos utilizaron un solo exprimidor para producir secuencialmente pulsos ópticos comprimidos en el estudio. Inyectaron los pulsos en un circuito de bucle cuyo tiempo de ida y vuelta (τ) era equivalente al intervalo de tiempo entre los pulsos. Este bucle incluía un divisor de haz con transmisividad variable. T (t) y un desfasador con desfase variable θ (t) - donde t denota tiempo. Después de transmitir a través del bucle, los científicos dirigieron los pulsos a un detector homodino utilizando una base de medición sintonizable. El circuito podría sintetizar una variedad de estados entrelazados a partir de los pulsos comprimidos, para un análisis posterior.

Para demostrar la generación de entrelazamiento programable, Los científicos primero programaron el sintetizador para generar cinco estados entrelazados diferentes a pequeña escala. Estos incluían un (1) estado EPR, (2) una GHZ de tres modos, (3) un estado de clúster de dos modos, y (4) un par de estados de agrupación de tres modos. Para verificar el estado de entrelazamiento, los científicos aplicaron funciones de modo temporal a la señal homodina (función de onda convertida en una señal eléctrica) y extrajeron la cuadratura de los pulsos ópticos de banda ancha para evaluar la correlación entre diferentes pulsos.

Cuantificaron la fuerza de la correlación utilizando parámetros de inseparabilidad que estaban directamente relacionados con el nivel de compresión efectiva. Los científicos pudieron obtener resultados donde los valores cumplieron con los criterios de inseparabilidad derivados del estudio, para demostrar la generación programable de cinco estados entrelazados diferentes. Explicaron los valores utilizando la pérdida acumulada durante la generación de luz exprimida, síntesis entrelazada en el bucle y durante las mediciones.

Sin embargo, la configuración experimental no pudo sintetizar más de tres modos de GHZ y estados de clúster debido a limitaciones de diseño del modulador electroóptico (EOM) que manejaba los circuitos. Como resultado, los científicos tienen como objetivo desarrollar un circuito de conducción más sofisticado o construir múltiples MOE en cascada para aumentar el número de valores de transmittividad seleccionables y generar una variedad de GHZ y estados de clúster a continuación.

El sintetizador de entrelazamiento también podría producir estados entrelazados a gran escala para una alta escalabilidad; se muestra con un estado de clúster unidimensional. El circuito desarrollado por los científicos fue equivalente a la generación de estados de clúster propuesta anteriormente y demostrada por Yokoyama et al a partir de entonces. En el presente trabajo, los científicos generaron un estado de cúmulo unidimensional para más de 1000 modos de entrelazamiento. Debido a limitaciones técnicas, los científicos solo pudieron medir 1008 modos en el experimento. Sin embargo, en principio, este método no tiene un límite teórico para el número de modos entrelazados que se pueden generar.

Los científicos no pudieron comparar directamente la calidad de estos estados de clúster en comparación con el esquema anterior de Yokoyama et al. ya que el esquema actual basado en bucle era susceptible de sufrir pérdidas debido a componentes ópticos adicionales en la configuración experimental. La pérdida basada en componentes en el bucle incluyó un divisor de haz variable y un desfasador, lo que llevó a la acumulación de pérdidas cuando los pulsos ópticos circularon repetidamente por la configuración.

Takeda y col. también formó una memoria cuántica al confinar un pulso óptico en el circuito de bucle programable. Aunque la capacidad de agregar retardos sintonizables a estados CV no clásicos podría desempeñar un papel clave para la sincronización de tiempo en una variedad de protocolos cuánticos, Hasta ahora, los físicos solo habían realizado unos pocos experimentos de memoria cuántica para estados entrelazados de variable continua (CV).

Si bien una memoria cuántica basada en bucles es una memoria simple y versátil que no limita la longitud de onda o el estado cuántico de la luz, solo se mostró anteriormente para fotones individuales. Takeda y col. demostró la funcionalidad en el presente trabajo generando un estado EPR en el bucle y almacenando una parte del estado EPR para n bucles para luego finalmente liberarlo. Los científicos podrían aumentar la vida útil de la memoria cuántica en la configuración aumentando la estabilidad mecánica del bucle o el sistema de retroalimentación para estabilizar el estado cuántico. Pudieron almacenar cualquier estado cuántico CV en la memoria basada en bucle y también incluir estados no gaussianos al cambiar el exprimidor a otras fuentes de luz cuántica.

De este modo, Takeda y col. estados entrelazados a pequeña y gran escala generados y verificados programablemente y controlados dinámicamente la transmisividad del divisor de haz, desplazamiento de fase y base de medición de un circuito óptico basado en bucle a escalas de tiempo de nanosegundos. Demostraron la capacidad de memoria cuántica del circuito al almacenar parte de un estado EPR en el bucle. El sistema es programable y altamente escalable, ofreciendo una herramienta única y versátil para futuras tecnologías cuánticas fotónicas.

Takeda y col. Imagine incrustar este circuito de bucle en un bucle más grande para realizar una red divisoria de haz arbitraria anidada que combina los pulsos comprimidos de entrada para sintetizar estados de agrupación arbitrarios. También prevén extensiones de este circuito a una computadora cuántica universal al incluir un operador de desplazamiento programable basado en la señal del detector homodino y la fuente de luz no gaussiana. La nueva red formará una base fundamental para lograr estos objetivos y estimulará la investigación teórica y experimental adicional en el procesamiento de información cuántica fotónica.

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