Portas quânticas confiáveis ​​são o componente fundamental do processamento de informações quânticas. No entanto, alcançar transformações unitárias de alta dimensão de maneira escalável e compacta com fidelidades ultra-altas continua sendo um grande desafio.



Para resolver esse problema, cientistas na China apresentam o uso de redes neurais difrativas profundas (D ² NNs) para construir uma série de portas quânticas de alta dimensão, que são codificadas pelos modos espaciais dos fótons. Este trabalho, publicado em Light:Science &Applications , oferece um novo paradigma para o projeto de portas quânticas usando aprendizado profundo.

A computação quântica promete transformar nossas metodologias de processamento de informações e, em sua essência, portas lógicas quânticas confiáveis ​​desempenham um papel essencial no processamento de informações quânticas.

Embora vários tipos de portas quânticas tenham sido demonstrados, as portas quânticas fotônicas são naturalmente compatíveis com as comunicações quânticas e têm atraído um interesse considerável no campo da informação quântica.

A infinidade intrínseca de bases ortogonais nos modos espaciais dos fótons oferece um extenso alfabeto de codificação, incentivando a criatividade no processamento de informações quânticas de alta dimensão. No entanto, alcançar transformações unitárias de alta dimensão de forma precisa, escalável e compacta com fidelidades ultra-altas continua a ser um desafio significativo.

Uma equipe de cientistas, liderada pelo professor Jian Wang do Laboratório Nacional de Optoeletrônica de Wuhan e Escola de Informação Óptica e Eletrônica, Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia, China, Laboratório Optics Valley, China, e colegas de trabalho demonstraram o uso de difração profunda redes neurais (D ² NNs) para construir uma série de portas quânticas de alta dimensão, que são codificadas pelos modos espaciais dos fótons.

Eles implementaram todas as portas X tridimensionais e portas Hadamard codificadas por três modos Laguerre-Gaussianos. Os portões exibem fidelidades ultra-altas de até 99,4(3)%, conforme caracterizado por tomografia de processo quântico. Eles também adotam um método de codificação exclusivo para codificar dois bits de informação, utilizando quatro modos de momento angular orbital (OAM) de um único fóton.

Com este método, eles conseguiram a troca da direção de rotação da frente de onda do OAM (o sinal do modo) de acordo com suas ordens de modo. A matriz de processo reconstruída desta porta NOT controlada tem uma fidelidade de 99,6(2)%, e esta porta de alta fidelidade permite cálculos quânticos confiáveis.

Eles também demonstraram a aplicabilidade desta abordagem implementando com sucesso o algoritmo Deutsch, que envolve a execução de todo o circuito quântico de 2 qubits com base em sua configuração experimental. Esta demonstração valida o potencial de realização de operações complexas ou mesmo de circuitos quânticos.

As demonstrações experimentais de todos os portões mencionados anteriormente mostram as vantagens do tamanho reduzido, grande escalabilidade e robustez para diferentes bases de modo. Além disso, com base no dispositivo de modulação de fase reconfigurável, esta implementação conduz à implantação inteligente, que mostra um potencial extraordinário na execução de protocolos automáticos para realizar as operações desejadas ou para otimizar o desempenho experimental.

Para fornecer diretrizes para experimentos, eles analisaram a relação entre o desempenho da porta quântica e vários parâmetros, incluindo perda e características do modulador de luz espacial. Além disso, eles conduziram uma análise comparativa do D ² Comparamos o desempenho do portão NN com a abordagem tradicional de correspondência de frente de onda, levando à conclusão de que nossa abordagem melhora significativamente a visibilidade com um pequeno custo de perda de energia.

Mais informações: Qianke Wang et al, Portas quânticas de modo espacial de ultra-alta fidelidade no espaço de alta dimensão por redes neurais profundas difrativas, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01336-7
Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações

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