Os protocolos de informação quântica são baseados em uma variedade de modos de emaranhamento, como Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) e outros estados de cluster. Para preparação sob demanda, esses estados podem ser realizados com fontes de luz comprimida na óptica, mas esses experimentos carecem de versatilidade, pois requerem uma variedade de circuitos ópticos para realizar individualmente diversos estados de emaranhamento. Em um estudo recente, Shuntaro Takeda e colegas dos departamentos interdisciplinares de Física Aplicada e Engenharia do Japão abordaram a lacuna desenvolvendo um sintetizador de emaranhamento sob demanda. Usando a configuração experimental, os físicos geraram de forma programática estados emaranhados a partir de uma única fonte de luz comprimida.

No trabalho, eles usaram um circuito baseado em loop controlado dinamicamente em escalas de tempo de nanossegundos para processar pulsos ópticos no domínio do tempo. Os cientistas geraram e verificaram cinco diferentes estados emaranhados de pequena escala e um grande cluster contendo mais de 1000 modos em uma única configuração, sem alterar o circuito óptico. O circuito desenvolvido por Takeda et al. poderia armazenar e liberar uma parte dos estados emaranhados gerados para funcionar como uma memória quântica. O relatório experimental publicado em Avanços da Ciência , irá abrir uma nova maneira de construir sintetizadores de emaranhamento gerais sob demanda usando um processador quântico escalável.

O emaranhamento é essencial para muitos protocolos de informação quântica em regiões qubit e variáveis ​​contínuas (CV), onde executam uma variedade de aplicações. Por exemplo, o estado de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) de dois modos é o mais comumente usado, estado maximamente emaranhado como um bloco de construção para comunicação quântica de duas partes e para portas lógicas quânticas baseadas em teletransporte quântico. A versão generalizada deste estado é um estado Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) de modo n central para a construção de uma rede quântica, onde o estado quântico GHZ pode ser compartilhado entre n participantes. Por exemplo, os n participantes podem se comunicar entre si para compartilhamento de segredo quântico. Para computação quântica, por outro lado, um tipo especial de emaranhamento conhecido como estados de cluster atraiu muita atenção como um recurso universal para permitir a computação quântica unilateral.

O método mais conveniente e bem estabelecido em uso no momento para preparar deterministicamente estados emaranhados fotônicos envolve a mistura de luz comprimida usando redes divisoras de feixe para gerar emaranhamento no regime de variável contínua (CV). Os físicos demonstraram recentemente estados emaranhados em grande escala, comprimindo fontes de luz multiplexadas no domínio do tempo ou no domínio da frequência. O método não era versátil, pois eles tinham que projetar uma variedade de configurações ópticas para produzir o estado específico de emaranhamento. Os físicos haviam relatado anteriormente a caracterização programável de vários tipos de emaranhamento em estados quânticos multimodo usando medições de pós-processamento ou alterando a base de medição. A síntese direta de uma variedade de estados de emaranhamento em um programa programável, maneira determinística dentro de uma única estrutura permanece uma tarefa desafiadora no momento, Portanto.

No presente trabalho, Takeda et al. propôs um sintetizador fotônico sob demanda para produzir de forma programática um importante conjunto de estados emaranhados para resolver o desafio existente, incluindo -

1. Um estado EPR
2. Um estado GHZ de modo n, e
3. Um estado de cluster linear ou em forma de estrela de n-modo para n≥2, em uma única configuração.

Eles basearam o sintetizador em uma dinâmica, circuito fotônico controlável que processou pulsos ópticos no domínio do tempo. Usando o circuito, os cientistas verificaram a geração programável de uma variedade de estados emaranhados. A configuração também pode armazenar e liberar uma parte do estado emaranhado gerado para funcionar como uma memória quântica. O novo método oferece uma rota promissora para a processabilidade da informação quântica fotônica, que inclui escalabilidade e programação.

Ao formar o conceito de um sintetizador de emaranhamento, os cientistas usaram um único espremedor para produzir pulsos ópticos compactados sequencialmente no estudo. Eles injetaram os pulsos em um circuito de loop cujo tempo de ida e volta (τ) era equivalente ao intervalo de tempo entre os pulsos. Este loop incluiu um divisor de feixe com transmissividade variável T (t) e um deslocador de fase com deslocamento de fase variável θ (t) - onde t denota o tempo. Depois de transmitir pelo loop, os cientistas direcionaram os pulsos para um detector homódino usando uma base de medição ajustável. O circuito poderia sintetizar uma variedade de estados emaranhados dos pulsos comprimidos - para análise subsequente.

Para demonstrar a geração de emaranhamento programável, os cientistas primeiro programaram o sintetizador para gerar cinco diferentes estados emaranhados em pequena escala. Estes incluíam um (1) estado EPR, (2) um GHZ de três modos, (3) um estado de cluster de dois modos, e (4) um par de estados de cluster de três modos. Para verificar o estado de emaranhamento, os cientistas aplicaram funções de modo temporal ao sinal homódino (função de onda convertida em sinal elétrico) e extraíram a quadratura dos pulsos ópticos de banda larga para avaliar a correlação entre os diferentes pulsos.

Eles quantificaram a força da correlação usando parâmetros de inseparabilidade que estavam diretamente ligados ao nível de compressão efetiva. Os cientistas foram capazes de obter resultados onde os valores satisfizeram os critérios de inseparabilidade derivados no estudo, para demonstrar a geração programável de cinco diferentes estados emaranhados. Eles explicaram os valores usando a perda acumulada durante a geração de luz comprimida, síntese emaranhada no loop e durante as medições.

No entanto, a configuração experimental não foi capaz de sintetizar mais de três modos de GHZ e estados de cluster devido às limitações de projeto do modulador eletro-óptico (EOM) que dirigia os circuitos. Como resultado, os cientistas pretendem desenvolver um circuito de direção mais sofisticado ou construir múltiplas EOMs em cascata para aumentar o número de valores de transmissividade selecionáveis ​​e gerar uma variedade de GHZ e estados de cluster em seguida.

O sintetizador de emaranhamento também pode produzir estados emaranhados em grande escala para alta escalabilidade; mostrado com um estado de cluster unidimensional. O circuito desenvolvido pelos cientistas era equivalente à geração de estados de cluster proposta anteriormente e demonstrada por Yokoyama et al posteriormente. No presente trabalho, os cientistas geraram um estado de cluster unidimensional para mais de 1000 modos de emaranhamento. Devido a limitações técnicas, os cientistas só puderam medir 1008 modos no experimento. Contudo, em princípio, este método não tem um limite teórico para o número de modos emaranhados que podem ser gerados.

Os cientistas não foram capazes de comparar diretamente a qualidade desses estados de cluster em comparação com o esquema anterior de Yokoyama et al. como o presente esquema baseado em loop era suscetível a perdas devido a componentes ópticos adicionais na configuração experimental. A perda baseada em componente no circuito incluiu um divisor de feixe variável e um deslocador de fase, o que levava ao acúmulo de perda quando os pulsos ópticos circulavam repetidamente na configuração.

Takeda et al. também formou uma memória quântica ao confinar um pulso óptico no circuito de loop programável. Embora a capacidade de adicionar atraso ajustável a estados CV não clássicos possa desempenhar um papel fundamental para a sincronização de tempo em uma variedade de protocolos quânticos, os físicos haviam conduzido apenas alguns experimentos de memória quântica para estados de variáveis ​​contínuas emaranhadas (CV) até agora.

Embora uma memória quântica baseada em loop seja uma memória simples e versátil que não limita o comprimento de onda ou o estado quântico da luz, ele só foi mostrado anteriormente para fótons únicos. Takeda et al. demonstrou a funcionalidade no presente trabalho, gerando um estado EPR no loop e armazenando uma parte do estado EPR para n loops para então finalmente liberá-lo. Os cientistas poderiam aumentar a vida útil da memória quântica na configuração, aumentando a estabilidade mecânica do loop ou do sistema de feedback para estabilizar o estado quântico. Eles foram capazes de armazenar qualquer estado quântico CV na memória baseada em loop e também incluir estados não gaussianos, alterando o espremedor para outras fontes de luz quântica.

Desta maneira, Takeda et al. estados emaranhados de pequena e grande escala gerados e verificados de forma programável e controlados dinamicamente a transmissividade do divisor de feixe, deslocamento de fase e base de medição de um circuito óptico baseado em loop em escalas de tempo de nanossegundos. Eles demonstraram a capacidade de memória quântica do circuito, armazenando parte de um estado EPR no loop. O sistema é programável e altamente escalável, oferecendo uma ferramenta única e versátil para futuras tecnologias quânticas fotônicas.

Takeda et al. imagine incorporar este circuito de loop em um loop maior para realizar uma rede divisora ​​de feixe arbitrário aninhada que combina os pulsos comprimidos de entrada para sintetizar estados de cluster arbitrários. Eles também prevêem extensões desse circuito para um computador quântico universal, incluindo um operador de deslocamento programável baseado no sinal do detector homodino e na fonte de luz não gaussiana. A nova rede formará uma base crucial para realizar esses objetivos e estimular pesquisas teóricas e experimentais adicionais no processamento de informações quânticas fotônicas.

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