Las puertas cuánticas confiables son el componente fundamental del procesamiento de información cuántica. Sin embargo, lograr transformaciones unitarias de alta dimensión de manera escalable y compacta con fidelidades ultraaltas sigue siendo un gran desafío.
Para abordar este problema, científicos en China muestran el uso de redes neuronales de difracción profunda (D 2 NN) para construir una serie de puertas cuánticas de alta dimensión, que están codificadas por los modos espaciales de los fotones. Este trabajo, publicado en Light:Science &Applications , ofrece un nuevo paradigma para el diseño de puertas cuánticas mediante el aprendizaje profundo.
La computación cuántica promete transformar nuestras metodologías de procesamiento de información y, en esencia, las puertas lógicas cuánticas confiables desempeñan un papel esencial en el procesamiento de información cuántica.
Si bien se han demostrado varios tipos de puertas cuánticas, las puertas cuánticas fotónicas son naturalmente compatibles con las comunicaciones cuánticas y han atraído un interés considerable en el campo de la información cuántica.
La infinidad intrínseca de bases ortogonales en los modos espaciales de los fotones ofrece un alfabeto de codificación extenso, que fomenta la creatividad en el procesamiento de información cuántica de alta dimensión. Sin embargo, lograr transformaciones unitarias de alta dimensión de una manera precisa, escalable y compacta con fidelidades ultraaltas sigue siendo un desafío importante.
Un equipo de científicos, dirigido por el profesor Jian Wang del Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan y la Escuela de Información Óptica y Electrónica de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, China, el Laboratorio Optics Valley, China, y sus compañeros de trabajo han demostrado el uso de difracción profunda. redes neuronales (D 2 NN) para construir una serie de puertas cuánticas de alta dimensión, que están codificadas por los modos espaciales de los fotones.
Implementaron todas las puertas X tridimensionales y puertas Hadamard codificadas por tres modos Laguerre-Gaussianos. Las puertas exhiben fidelidades ultraaltas de hasta el 99,4 (3) %, según se caracteriza mediante tomografía de proceso cuántico. También adoptan un método de codificación único para codificar dos bits de información, utilizando cuatro modos de momento angular orbital (OAM) de un solo fotón.
Con este método, lograron el intercambio de la dirección de rotación del frente de onda de OAM (el signo del modo) según sus órdenes de modo. La matriz de proceso reconstruida de esta puerta NO controlada tiene una fidelidad del 99,6(2) %, y esta puerta de alta fidelidad permite cálculos cuánticos confiables.
También demostraron la aplicabilidad de este enfoque implementando con éxito el algoritmo Deutsch, que implica realizar todo el circuito cuántico de 2 qubits en función de su configuración experimental. Esta demostración valida el potencial de realizar operaciones complejas o incluso circuitos cuánticos.
Las demostraciones experimentales de todas las puertas mencionadas anteriormente muestran las ventajas de un tamaño reducido, una gran escalabilidad y robustez para diferentes bases de modo. Además, basada en el dispositivo de modulación de fase reconfigurable, esta implementación conduce a un despliegue inteligente, lo que muestra un potencial extraordinario en la realización de protocolos automáticos para realizar las operaciones deseadas o para optimizar el rendimiento experimental.
Para proporcionar directrices para los experimentos, analizaron la relación entre el rendimiento de la puerta cuántica y varios parámetros, incluidas la pérdida y las características del modulador de luz espacial. Además, realizaron un análisis comparativo del D 2 Comparamos el rendimiento de la puerta NN con el enfoque tradicional de coincidencia de frente de onda, lo que lleva a la conclusión de que nuestro enfoque mejora significativamente la visibilidad con un pequeño costo de pérdida de energía.
Más información: Qianke Wang et al, Puertas cuánticas de modo espacial de ultraalta fidelidad en un espacio de alta dimensión mediante redes neuronales profundas difractivas, Luz:ciencia y aplicaciones (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01336-7
Información de la revista: Luz:ciencia y aplicaciones
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