O esquema de geração anunciado para um estado de 3 GHz. Crédito:Hui Wang. Computadores quânticos fotônicos são ferramentas computacionais que aproveitam a física quântica e utilizam partículas de luz (ou seja, fótons) como unidades de processamento de informações. Esses computadores poderiam eventualmente superar os computadores quânticos convencionais em termos de velocidade, ao mesmo tempo que transmitem informações por distâncias mais longas.
Apesar de sua promessa, os computadores quânticos fotônicos ainda não alcançaram os resultados desejados, em parte devido às interações inerentemente fracas entre os fótons individuais. Em um artigo publicado em Physical Review Letters , pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China demonstraram um grande estado de cluster que poderia facilitar a computação quântica em um sistema fotônico, ou seja, o emaranhamento de três fótons.
“A computação quântica fotônica é promissora devido às suas vantagens operacionais à temperatura ambiente e à decoerência mínima”, disse Hui Wang, coautor do artigo, ao Phys.org.
"No entanto, o desafio inerente reside na fraca interação entre fótons únicos, dificultando a realização de portas determinísticas de dois qubits essenciais para a escalabilidade. Para resolver esta questão, os conceitos de fusão e percolação surgiram nas últimas duas décadas em nosso campo. "
Estudos anteriores sugerem que a fusão e a percolação poderiam ser abordagens escaláveis para realizar a computação quântica em sistemas fotônicos sem a necessidade de portas emaranhadas determinísticas, como aquelas exigidas por qubits supercondutores e íons aprisionados. Como parte de seu estudo, Wang e seus colegas empregaram uma estratégia que envolve a fusão de pequenos estados de recursos, como o anunciado estado de 3 GHz que demonstraram, em estados de cluster de grande escala que são adequados para a realização de computação quântica baseada em medição.
"O teorema da percolação determina que o sucesso é alcançável se a probabilidade de sucesso da porta de fusão exceder um limite específico", disse Wang.
"Nesta estrutura, a fase inicial envolve a geração do estado de recurso necessário, sendo o menor estado essencial o estado de três fótons Greenberger-Horne-Zeilinger (3-GHZ). Existem dois métodos principais para geração determinística de estado de 3-GHZ:( i) utilizar emissores de fóton único, como pontos quânticos, que embora teoricamente determinísticos, enfrentam limitações de eficiência com as tecnologias atuais; e (ii) gerar clusters emaranhados de forma quase determinística de uma forma anunciada, permitindo a validação instantânea do sucesso sem perturbar o estado alvo.
Interruptores ópticos ativos usados em nosso experimento. Crédito:Hui Wang.
Dos dois métodos que geram um estado de 3 GHz, a geração quase determinística de clusters emaranhados de forma anunciada parece atualmente ser o mais promissor. Empregando esse método, os pesquisadores conseguiram chegar a esse estado a partir de uma fonte de fóton único em um chip fotônico.
Seu trabalho é um marco significativo no caminho para a realização da computação quântica fotônica tolerante a falhas. Especificamente, seus esforços poderiam acelerar o desenvolvimento de computadores quânticos ópticos em grande escala que dependem de estados de 3 GHz para processar informações quânticas.
"Nossa configuração experimental necessita de seis fótons únicos para injeção em um interferômetro passivo de 10 modos", explicou Wang.
"Nossa implementação utiliza um ponto quântico InAs/GaAs como fonte de fóton único. Observando que esta é a fonte de fóton único de última geração entre todos os sistemas físicos. O interferômetro programável, fornecido pela Quix, demonstra uma eficiência geral de 50% Através da aplicação de uma transformação unitária específica, o estado de saída resultante nas portas 1-6 se manifesta como um estado de 3 GHz anunciado codificado em trilho duplo, dependendo da detecção de fótons únicos em ambas as portas e em apenas uma das portas. portos."
O primeiro relatório de fótons únicos anunciados remonta a 1986, enquanto os primeiros pares de fótons emaranhados anunciados foram realizados em 2010. O trabalho recente de Wang e seus colaboradores baseia-se nesses avanços anteriores, demonstrando um grande estado de aglomerado que poderia desempenhar um papel fundamental na permitindo computação quântica baseada em medição, tolerante a falhas, utilizando chips fotônicos.
Notavelmente, o artigo foi publicado na mesma época que dois estudos relacionados de outras equipes, apresentados em Physical Review Letters e Fotônica da Natureza , que reuniu outros resultados impressionantes. Coletivamente, esses desenvolvimentos sugerem que estamos nos aproximando da realização efetiva de computadores quânticos fotônicos tolerantes a falhas.
“Num futuro previsível, conseguir uma demonstração de uma porta de fusão que ultrapasse o limiar de percolação usando oito fótons únicos está ao nosso alcance”, acrescentou Wang.
"Com base no sucesso do anunciado estado de 3 GHz apresentado neste estudo, vários estados de recursos de 3 GHz podem ser amalgamados para formar um estado emaranhado mais extenso. Além disso, a exploração da geração de estado emaranhado em grande escala em plataformas ópticas quânticas integradas está à caminho."
