Nuevo bloque de construcción en computación cuántica demostrado

Los investigadores del Laboratorio Nacional 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, investigadores de Quantum Information Science Group de ORNL, realizaron operaciones distintas e 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 de Quantum que trabajan con qubits codificados en frecuencia han podido realizar una sola operación en dos qubits en paralelo, pero eso no es suficiente para la computación cuántica.

«Para realizar la computación cuántica universal, debe 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 pueda imaginar. Este documento marca la primera demostración de nuestro enfoque basado en la frecuencia de la calidad cuántica universal. informática.»

«Muchos investigadores están hablando sobre el procesamiento de información cuántica con fotones, e incluso utilizan la frecuencia», dijo Lukens. »

Pero nadie había pensado en enviar varios fotones a través de la misma hebra de fibra óptica, en el mismo espacio, y operar en ellos de manera diferente».

El procesador de frecuencia cuántica del equipo les permitió manipular la frecuencia de los fotones para lograr la superposición, un estado que permite la computación y las operaciones cuánticas.

A diferencia de los bits de datos codificados para la computación 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 que las computadoras cuánticas realicen operaciones de forma simultánea en conjuntos de datos más grandes que los supercomputadores actuales.

Usando su procesador, los investigadores demostraron una visibilidad de interferencia del 97 por ciento, una medida de cómo se parecen dos fotones, en comparación con la tasa de visibilidad del 70%.

Obtenida en una investigación similar. Su resultado indicó que los estados cuánticos de los fotones eran virtualmente 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 manera totalmente controlada.

«Pudimos extraer más información sobre el estado cuántico de nuestro sistema experimental utilizando la inferencia bayesiana que si hubiéramos usado métodos estadísticos más comunes», dijo Williams.

«Este trabajo representa la primera vez que el proceso de nuestro equipo ha generado 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 fibra óptica, tienes mejor control».

La estabilidad y el control permiten operaciones cuánticas que preservan la información, reducen el tiempo de procesamiento de la información y mejoran la eficiencia energética.

Los investigadores compararon sus proyectos en curso, iniciados en 2016, con bloques de construcción que se unirán para hacer posible la computación cuántica a gran escala.

«Hay pasos que debe tomar antes de dar el siguiente paso, más complicado», dijo Peters. «Nuestros proyectos anteriores se centraron en desarrollar capacidades fundamentales y nos permiten trabajar ahora en el dominio totalmente cuántico con estados de entrada cuánticos».

Lukens dijo que los resultados del equipo muestran que «podemos controlar los estados cuánticos de los qubits, cambiar sus correlaciones y modificarlos utilizando la tecnología de telecomunicaciones estándar de manera que sean aplicables al avance de la computación cuántica».

Una vez que todos los componentes básicos de las computadoras cuánticas están en su lugar, agregó, «podemos comenzar a conectar dispositivos cuánticos para construir la Internet cuántica, que es el siguiente paso emocionante».

De la misma manera en que la información se procesa de manera diferente de una supercomputadora a una supercomputadora, 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 manera en que las computadoras de hoy en día interactúan en Internet.

Este trabajo es una extensión de las demostraciones anteriores del equipo de capacidades de procesamiento de información cuántica en tecnología de telecomunicaciones estándar.

Además, dijeron, es práctico aprovechar la infraestructura de red de fibra óptica existente para la computación cuántica: se han invertido miles de millones de dólares y el procesamiento de información cuántica representa un uso novedoso.

Los investigadores dijeron que este aspecto del «círculo completo» de su trabajo es altamente satisfactorio.

«Comenzamos nuestra investigación juntos con el deseo de explorar el uso de la tecnología de telecomunicaciones estándar para el procesamiento de información cuántica, y hemos descubierto que podemos volver al dominio clásico y mejorarlo», dijo Lukens.

Lukens, Williams, Peters y Lougovski colaboraron con el estudiante graduado de la Universidad de Purdue, Hsuan-Hao Lu, y su asesor Andrew Weiner. La investigación está respaldada por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de ORNL.

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