Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia demonstrou um novo método para dividir os feixes de luz em seus modos de frequência. Os cientistas podem então escolher as frequências com as quais desejam trabalhar e codificar os fótons com informações quânticas. Seu trabalho pode estimular avanços no processamento de informações quânticas e computação quântica distribuída.

As descobertas da equipe foram publicadas em Cartas de revisão física .

A frequência da luz determina sua cor. Quando as frequências são separadas, como em um arco-íris, cada fóton colorido pode ser codificado com informações quânticas, entregue em unidades conhecidas como qubits. Qubits são análogos, mas diferentes dos bits clássicos, que têm um valor de 0 ou 1, porque os qubits são codificados com valores de 0 e 1 ao mesmo tempo.

Os pesquisadores comparam o processamento de informações quânticas a entrar em um corredor e ser capaz de ir para os dois lados, enquanto na computação clássica, apenas um caminho é possível.

A nova abordagem da equipe - apresentando a primeira demonstração de um tritter de frequência, um instrumento que divide a luz em três frequências - retornou resultados experimentais que combinaram com suas previsões e mostraram que muitas operações de processamento de informações quânticas podem ser executadas simultaneamente sem aumentar o erro. O sistema quântico funcionou conforme o esperado em condições cada vez mais complexas, sem degradar as informações codificadas.

"Sob nossas condições experimentais, obtivemos um fator 10 melhor do que as taxas de erro típicas, "disse Nicholas Peters, Líder da equipe Quantum Communications do Grupo de Ciência da Informação Quantum do ORNL. "Isso estabelece nosso método como um pioneiro no processamento de informações quânticas baseado em frequência de alta dimensão."

Os fótons podem transportar informações quânticas em superposições - onde os fótons têm simultaneamente vários valores de bits - e a presença de dois sistemas quânticos em superposição pode levar ao emaranhamento, um recurso chave na computação quântica.

O emaranhamento aumenta o número de cálculos que um computador quântico poderia executar, e o foco da equipe na criação de estados de frequência mais complexos visa tornar as simulações quânticas mais poderosas e eficientes. O método dos pesquisadores também é notável porque demonstra o portão Hadamard, um dos circuitos elementares necessários para a computação quântica universal.

"Conseguimos demonstrar resultados de altíssima fidelidade logo de cara, o que é muito impressionante para a abordagem óptica, "disse Pavel Lougovski, investigador principal do projeto. "Estamos criando um subcampo aqui no ORNL com nosso trabalho de codificação baseado em frequência."

O método aproveita a tecnologia de telecomunicações amplamente disponível com componentes prontos para uso enquanto produz resultados de alta fidelidade. Esforços para desenvolver repetidores quânticos, que estendem a distância que as informações quânticas podem ser transmitidas entre computadores separados fisicamente, vai se beneficiar deste trabalho.

"O fato de nosso método ser compatível com a rede de telecomunicações é uma grande vantagem, "Lougovski disse." Poderíamos realizar operações quânticas em redes de telecomunicações, se necessário. "

Peters acrescentou que seu projeto demonstra que a largura de banda de fibra óptica não utilizada pode ser aproveitada para reduzir o tempo computacional executando operações em paralelo.

"Nosso trabalho usa a principal vantagem da frequência - estabilidade - para obter fidelidade muito alta e, em seguida, fazer salto de frequência controlado quando queremos, "disse Wigner Fellow Joseph Lukens, que liderou o experimento ORNL. Os pesquisadores demonstraram experimentalmente que os sistemas quânticos podem ser transformados para produzir os resultados desejados.

Os pesquisadores sugerem que seu método pode ser emparelhado com a tecnologia de divisão de feixe existente, aproveitando os pontos fortes de ambos e aproximando a comunidade científica do uso total do processamento de informações quânticas fotônicas baseadas em frequência.

Peters, Lougovski e Lukens, todos os físicos do Grupo de Ciência da Informação Quântica de ORNL, colaborou com o estudante de graduação Hsuan-Hao Lu, professor Andrew Weiner, e colegas da Purdue University. A equipe publicou a teoria para seus experimentos em Optica em janeiro de 2017.