O processamento de informações quânticas promete ser muito mais rápido e seguro do que os supercomputadores de hoje podem alcançar, mas ainda não existe porque seus blocos de construção, qubits, são notoriamente instáveis.

Os pesquisadores da Purdue University estão entre os primeiros a construir um portão - o que poderia ser uma versão quântica de um transistor, usado nos computadores de hoje para processar informações - com qudits. Considerando que os qubits podem existir apenas em superposições de 0 e 1 estados, qudits existem em vários estados, como 0 e 1 e 2. Mais estados significam que mais dados podem ser codificados e processados.

O portão não seria apenas inerentemente mais eficiente do que os portões qubit, mas também mais estável porque os pesquisadores transformaram os qudits em fótons, partículas de luz que não são facilmente perturbadas pelo ambiente. As descobertas dos pesquisadores aparecem em npj Quantum Information.

O portão também cria um dos maiores estados emaranhados de partículas quânticas até hoje - neste caso, fótons. Emaranhamento é um fenômeno quântico que permite que medições em uma partícula afetem automaticamente as medições em outra partícula, trazendo a capacidade de tornar a comunicação entre as partes inquebrável ou de teletransportar informações quânticas de um ponto para outro, por exemplo.

Quanto mais emaranhado no chamado espaço de Hilbert - o reino onde o processamento de informações quânticas pode ocorrer - melhor.

Abordagens fotônicas anteriores foram capazes de chegar a 18 qubits codificados em seis fótons emaranhados no espaço de Hilbert. Os pesquisadores do Purdue maximizaram o emaranhamento com um portão usando quatro qudits - o equivalente a 20 qubits - codificados em apenas dois fótons.

Na comunicação quântica, menos é mais. "Os fótons são caros no sentido quântico porque são difíceis de gerar e controlar, por isso, é ideal embalar o máximo de informações possível em cada fóton, "disse Poolad Imany, um pesquisador de pós-doutorado na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação de Purdue.

A equipe conseguiu mais emaranhamento com menos fótons, codificando um qudit no domínio do tempo e o outro no domínio da frequência de cada um dos dois fótons. Eles construíram um portão usando os dois qudits codificados em cada fóton, para um total de quatro qudits em 32 dimensões, ou possibilidades, de tempo e frequência. Quanto mais dimensões, quanto mais emaranhado.

Partindo de dois fótons emaranhados no domínio da frequência e, em seguida, operar o portão para emaranhar os domínios do tempo e da frequência de cada fóton, gera quatro qudits totalmente emaranhados, que ocupam um espaço de Hilbert de 1, 048, 576 dimensões, ou 32 à quarta potência.

Tipicamente, portões construídos em plataformas fotônicas para manipular informações quânticas codificadas em fótons separados funcionam apenas parte do tempo porque os fótons naturalmente não interagem muito bem entre si, tornando extremamente difícil manipular o estado de um fóton com base no estado de outro. Ao codificar informações quânticas nos domínios do tempo e da frequência dos fótons, Os pesquisadores de Purdue tornaram a operação da porta quântica determinística em oposição à probabilística.

A equipe implementou o portão com um conjunto de equipamentos padrão disponíveis no mercado, usados ​​diariamente na indústria de comunicação óptica.

"Esta porta nos permite manipular as informações de uma forma previsível e determinística, o que significa que ele poderia realizar as operações necessárias para certas tarefas de processamento de informações quânticas, "disse Andrew Weiner, Purdue's Scifres Family Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering, cujo laboratório é especializado em ótica ultrarrápida.

Próximo, a equipe quer usar o portão em tarefas de comunicação quântica, como teletransporte quântico de alta dimensão, bem como para executar algoritmos quânticos em aplicações como aprendizado de máquina quântica ou simulação de moléculas.