Pesquisadores do MIT usando bits quânticos supercondutores conectados a uma linha de transmissão de microondas mostraram como os qubits podem gerar fótons sob demanda, ou partículas de luz, necessário para a comunicação entre processadores quânticos.

O avanço é um passo importante para alcançar as interconexões que permitiriam a um sistema modular de computação quântica realizar operações a taxas exponencialmente mais rápidas do que os computadores clássicos podem atingir.

"A computação quântica modular é uma técnica para alcançar a computação quântica em escala, compartilhando a carga de trabalho em vários nós de processamento, "diz Bharath Kannan, Bolsista de pós-graduação do MIT e primeiro autor de um artigo sobre este tópico publicado hoje em Avanços da Ciência . "Esses nós, Contudo, geralmente não são colocalizados, portanto, precisamos ser capazes de comunicar informações quânticas entre locais distantes. "

Em computadores clássicos, fios são usados ​​para rotear informações para frente e para trás por meio de um processador durante a computação. Em um computador quântico, a informação em si é mecânica quântica e frágil, exigindo novas estratégias para processar e comunicar informações simultaneamente.

"Os qubits supercondutores são uma tecnologia líder hoje, mas geralmente suportam apenas interações locais (vizinho mais próximo ou qubits muito próximos). A questão é como se conectar a qubits que estão em locais distantes, "diz William Oliver, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação, Membro do MIT Lincoln Laboratory, diretor do Centro de Engenharia Quântica, e diretor associado do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica. "Precisamos de interconexões quânticas, idealmente baseado em guias de ondas de microondas que podem guiar informações quânticas de um local para outro. "

Essa comunicação pode ocorrer através da linha de transmissão de microondas, ou guia de ondas, à medida que as excitações armazenadas nos qubits geram pares de fótons, que são emitidos no guia de ondas e, em seguida, viajam para dois nós de processamento distantes. Os fótons idênticos são chamados de "emaranhados, "agindo como um sistema. À medida que viajam para nós de processamento distantes, eles podem distribuir esse emaranhamento através de uma rede quântica.

"Geramos os fótons emaranhados sob demanda usando os qubits e, em seguida, liberamos o estado emaranhado para o guia de ondas com eficiência muito alta, essencialmente unidade, "diz Oliver.

A pesquisa relatada no Avanços da Ciência papel utiliza uma técnica relativamente simples, Kannan diz.

“Nosso trabalho apresenta uma nova arquitetura para a geração de fótons espacialmente emaranhados de maneira muito simples, usando apenas um guia de ondas e alguns qubits, que atuam como emissores fotônicos, "diz Kannan." O emaranhamento entre os fótons pode então ser transferido para os processadores para uso em comunicação quântica ou protocolos de interconexão. "

Embora os pesquisadores afirmem que ainda não implementaram esses protocolos de comunicação, suas pesquisas em andamento são direcionadas nessa direção.

“Ainda não realizamos a comunicação entre os processadores neste trabalho, mas sim mostrou como podemos gerar fótons que são úteis para a comunicação quântica e interconexão, "Kannan diz.

Trabalho anterior de Kannan, Oliver, e colegas introduziram uma arquitetura eletrodinâmica quântica de guia de ondas usando qubits supercondutores que são essencialmente um tipo de átomo gigante artificial. Essa pesquisa demonstrou como tal arquitetura pode realizar computação quântica de baixo erro e compartilhar informações quânticas entre processadores. Isso é realizado ajustando a frequência dos qubits para sintonizar a força de interação do guia de onda qubit para que os qubits frágeis possam ser protegidos da decoerência induzida por guia de onda para realizar operações de qubit de alta fidelidade, e então reajustar a frequência qubit para que os qubits sejam capazes de liberar suas informações quânticas no guia de ondas na forma de fótons.

Este artigo apresentou a capacidade de geração de fótons da arquitetura eletrodinâmica quântica do guia de ondas, mostrando que os qubits podem ser usados ​​como emissores quânticos para o guia de ondas. Os pesquisadores demonstraram que a interferência quântica entre os fótons emitidos no guia de ondas gera emaranhados, fótons itinerantes que viajam em direções opostas e podem ser usados ​​para comunicação de longa distância entre processadores quânticos.

A geração de fótons espacialmente emaranhados em sistemas ópticos é normalmente realizada usando conversão paramétrica espontânea e fotodetectores, mas o emaranhamento gerado obtido dessa forma é geralmente aleatório e, portanto, menos útil para permitir a comunicação sob demanda de informações quânticas em um sistema distribuído.

"Modularidade é um conceito chave de qualquer sistema extensível, "diz Oliver." Nosso objetivo aqui é demonstrar os elementos das interconexões quânticas que devem ser úteis em futuros processadores quânticos.