Pela primeira vez, pesquisadores demonstraram uma maneira de mapear e medir a correlação quântica fotônica em grande escala com a sensibilidade a um único fóton. A capacidade de medir milhares de instâncias de correlação quântica é crítica para tornar prática a computação quântica baseada em fótons.

No Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, um grupo multi-institucional de pesquisadores relata a nova técnica de medição, que é chamada de correlação em imagem mapeada espacialmente em nível de fóton (COSPLI). Eles também desenvolveram uma maneira de detectar sinais de fótons individuais e suas correlações em dezenas de milhões de imagens.

"COSPLI tem o potencial de se tornar uma solução versátil para realizar medições de partículas quânticas em computadores quânticos fotônicos de grande escala, "disse o líder da equipe de pesquisa Xian-Min Jin, da Shanghai Jiao Tong University, China. "Esta abordagem única também seria útil para simulação quântica, comunicação quântica, detecção quântica e imagens biomédicas de fóton único. "

Fótons interagindo

A tecnologia de computação quântica promete ser significativamente mais rápida do que a computação tradicional, que lê e grava dados codificados como bits que são zero ou um. Em vez de bits, a computação quântica usa qubits que podem estar em dois estados ao mesmo tempo e irão interagir, ou correlacionar, um com o outro. Esses qubits, que pode ser um elétron ou fóton, permitir que muitos processos sejam executados simultaneamente.

Um desafio importante no desenvolvimento de computadores quânticos é encontrar uma maneira de medir e manipular os milhares de qubits necessários para processar conjuntos de dados extremamente grandes. Para métodos baseados em fótons, o número de qubits pode ser aumentado sem usar mais fótons, aumentando o número de modos codificados em graus fotônicos de liberdade - como polarização, frequência, tempo e localização - medidos para cada fóton. Isso permite que cada fóton exiba mais de dois modos, ou estados, simultaneamente. Os pesquisadores já usaram essa abordagem para fabricar os maiores chips quânticos fotônicos do mundo, que poderia possuir um espaço de estado equivalente a milhares de qubits.

Contudo, incorporar os novos chips quânticos fotônicos em um computador quântico requer a medição de todos os modos e suas correlações fotônicas em um nível de fóton único. Até agora, a única maneira de conseguir isso seria usar um detector de fóton único para cada modo exibido por cada fóton. Isso exigiria milhares de detectores de fóton único e custaria cerca de 12 milhões de dólares por um único computador.

"É economicamente inviável e tecnicamente desafiador lidar com milhares de modos simultaneamente com detectores de fóton único, "disse Jin." Este problema representa um gargalo decisivo para a realização de um computador quântico fotônico de grande escala. "

Sensibilidade de fóton único

Embora as câmeras CCD disponíveis comercialmente sejam sensíveis a fótons únicos e muito mais baratas do que os detectores de fóton único, os sinais de fótons individuais são freqüentemente obscurecidos por grandes quantidades de ruído. Após dois anos de trabalho, os pesquisadores desenvolveram métodos para suprimir o ruído de modo que fótons individuais pudessem ser detectados com cada pixel de uma câmera CCD.

O outro desafio era determinar a polarização de um único fóton, frequência, hora e local, cada um dos quais requer uma técnica de medição diferente. Com COSPLI, as correlações fotônicas de outros modos são todas mapeadas no modo espacial, que permite correlações de todos os modos a serem medidos com a câmera CCD.

Para demonstrar o COSPLI, os pesquisadores usaram sua abordagem para medir o espectro conjunto de fótons correlacionados em dez milhões de quadros de imagem. Os espectros reconstruídos concordaram bem com os cálculos teóricos, demonstrando assim a confiabilidade do método de medição e mapeamento, bem como a detecção de fóton único. Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar a velocidade de imagem do sistema de dezenas para milhões de quadros por segundo.

"Sabemos que é muito difícil construir um computador quântico prático, e ainda não está claro qual implementação será a melhor, "disse Jin." Este trabalho aumenta a confiança de que um computador quântico baseado em fótons pode ser uma rota prática para avançar. "