Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, demonstraram um novo nível de controle sobre fótons codificados com informações quânticas. Sua pesquisa foi publicada em Optica .

Joseph Lukens, Brian Williams, Nicholas Peters, e Pavel Lougovski, cientistas pesquisadores do Grupo de Ciência da Informação Quântica do ORNL, realizado distinto, operações independentes simultaneamente em dois qubits codificados em fótons de frequências diferentes, uma capacidade chave na computação quântica ótica linear. Qubits são a menor unidade de informação quântica.

Cientistas quânticos que trabalham com qubits codificados por frequência têm sido capazes de realizar uma única operação em dois qubits em paralelo, mas isso é insuficiente para a computação quântica.

"Para realizar a computação quântica universal, você precisa ser capaz de fazer diferentes operações em diferentes qubits ao mesmo tempo, e isso é o que fizemos aqui, "Lougovski disse.

De acordo com Lougovski, o sistema experimental da equipe - dois fótons emaranhados contidos em uma única fita de cabo de fibra óptica - é o "menor computador quântico que você pode imaginar. Este artigo marca a primeira demonstração de nossa abordagem baseada em frequência para a computação quântica universal".

"Muitos pesquisadores estão falando sobre o processamento de informações quânticas com fótons, e mesmo usando frequência, "disse Lukens." Mas ninguém tinha pensado em enviar vários fótons através da mesma fibra óptica, no mesmo espaço, e operando neles de maneira diferente. "

O processador de frequência quântica da equipe permitiu que manipulassem a frequência dos fótons para provocar a superposição, um estado que permite operações quânticas e computação.

Ao contrário dos bits de dados codificados para computação clássica, qubits superpostos codificados na frequência de um fóton têm um valor de 0 e 1, em vez de 0 ou 1. Esse recurso permite que os computadores quânticos executem simultaneamente operações em conjuntos de dados maiores do que os supercomputadores de hoje.

Usando seu processador, os pesquisadores demonstraram 97 por cento de visibilidade de interferência - uma medida de quão parecidos são dois fótons - em comparação com a taxa de visibilidade de 70 por cento retornada em pesquisas semelhantes. O resultado indicou que os estados quânticos dos fótons eram virtualmente idênticos.

Os pesquisadores também aplicaram um método estatístico associado ao aprendizado de máquina para comprovar que as operações eram feitas com altíssima fidelidade e de forma totalmente controlada.

"Fomos capazes de extrair mais informações sobre o estado quântico do nosso sistema experimental usando a inferência Bayesiana do que se tivéssemos usado métodos estatísticos mais comuns, "Williams disse.

"Este trabalho representa a primeira vez que o processo de nossa equipe retornou um resultado quântico real."

Williams apontou que sua configuração experimental fornece estabilidade e controle. “Quando os fótons estão tomando caminhos diferentes no equipamento, eles experimentam diferentes mudanças de fase, e isso leva à instabilidade, "ele disse." Quando eles estão viajando pelo mesmo dispositivo, nesse caso, o cordão de fibra ótica, você tem um controle melhor. "

Estabilidade e controle permitem operações quânticas que preservam informações, reduzir o tempo de processamento de informações, e melhorar a eficiência energética. Os pesquisadores compararam seus projetos em andamento, começou em 2016, a blocos de construção que se conectarão para tornar possível a computação quântica em grande escala.

"Existem passos que você deve seguir antes de dar o próximo, etapa mais complicada, "Peters disse." Nossos projetos anteriores se concentraram no desenvolvimento de capacidades fundamentais e nos permitem trabalhar agora no domínio totalmente quântico com estados de entrada totalmente quânticos. "

Lukens disse que os resultados da equipe mostram que "podemos controlar os estados quânticos dos qubits, mudar suas correlações, e modificá-los usando tecnologia de telecomunicações padrão de maneiras que sejam aplicáveis ​​ao avanço da computação quântica. "

Uma vez que os blocos de construção dos computadores quânticos estão todos no lugar, ele adicionou, "podemos começar a conectar dispositivos quânticos para construir a internet quântica, qual é o próximo, passo emocionante. "

Da mesma forma que as informações são processadas de forma diferente de supercomputador para supercomputador, refletindo diferentes desenvolvedores e prioridades de fluxo de trabalho, dispositivos quânticos funcionarão usando frequências diferentes. Isso tornará um desafio conectá-los para que possam trabalhar juntos da maneira como os computadores atuais interagem na Internet.

Este trabalho é uma extensão das demonstrações anteriores da equipe de recursos de processamento de informações quânticas em tecnologia de telecomunicações padrão. Além disso, eles disseram, aproveitar a infraestrutura de rede de fibra óptica existente para computação quântica é prático:bilhões de dólares foram investidos, e o processamento quântico de informações representa um uso novo.

Os pesquisadores disseram que esse aspecto de "círculo completo" de seu trabalho é altamente satisfatório. "Começamos nossa pesquisa juntos com o objetivo de explorar o uso de tecnologia de telecomunicações padrão para processamento de informações quânticas, e descobrimos que podemos voltar ao domínio clássico e melhorá-lo, "Lukens disse.