Cálculo de fotones Medición de tiempo sintética

Un diseño de computadora cuántica relativamente simple que usa uno átomo Los fotones para manipulación se pueden construir a partir de componentes existentes.

Investigadores de la Universidad de Stanford ahora han propuesto un diseño más simple para computadoras cuánticas de fotones utilizando componentes disponibles, según un artículo publicado el 29 de noviembre de 2021. ÓPTICO:. Su diseño utiliza láseres para manipular un átomo, que a su vez puede cambiar el estado de los fotones a través de un fenómeno llamado «teletransportación cuántica». Atom se puede restaurar y reutilizar para muchas puertas cuánticas, lo que elimina la necesidad de construir múltiples puertas físicas claras, lo que reduce en gran medida la complejidad de construir una computadora cuántica.

«Por lo general, si quería construir este tipo de computadora cuántica, tenía que tomar miles de emisores cuánticos, hacerlos perfectamente indistinguibles y luego conectarlos a un circuito fotónico gigante», dijo Ben Bartlett, candidato a doctorado. en física aplicada գլխավոր autor principal del trabajo. «Si bien con este diseño solo necesitamos unos pocos componentes relativamente simples, el tamaño de la máquina no aumenta con el tamaño del programa cuántico que desea ejecutar».

Este diseño sorprendentemente simple requiere solo unos pocos equipos: cable de fibra óptica, divisor de haz, interruptores ópticos gemelos, apertura óptica.

Los investigadores recomiendan la animación por computadora cuántica de fotones. A la izquierda hay un anillo de almacenamiento donde se almacenan algunos fotones contrapropagados. A la derecha está la unidad de dispersión utilizada para manipular qubits fotónicos. Las esferas de arriba, llamadas «esferas de bloque», representan el estado matemático de uno de los fotones atómicos. Debido a que el átomo y el fotón están entrelazados, la manipulación del átomo también afecta el estado del fotón. Préstamo: Ben Bartlett

Afortunadamente, estos componentes ya existen e incluso son comerciales. También se mejoran constantemente, ya que actualmente se utilizan en otras aplicaciones además de cálculo cuántico. Por ejemplo, las empresas de telecomunicaciones llevan años trabajando para mejorar los cables de fibra óptica y los conmutadores ópticos.

«Lo que estamos proponiendo aquí se basa en los esfuerzos y contribuciones que la gente ha hecho para mejorar estos componentes», dijo Shanhui Fan, autor principal del artículo de Joseph և Hon Mai Goodman, profesor de la Escuela de Ingeniería. «Estos no son componentes nuevos específicamente para la computación cuántica».

Nuevo diseño

El diseño de los científicos consta de dos partes principales: el anillo de almacenamiento y la unidad de dispersión. Un anillo de respaldo que funciona como una memoria de computadora normal es un anillo de fibra óptica que contiene muchos fotones que giran alrededor del anillo. Similar a los bits que almacenan información en una computadora clásica, cada foto en este sistema representa un bit cuántico o «qubit». La dirección de movimiento del fotón alrededor del anillo de almacenamiento determina el valor del qubit, que, como el bit, puede ser 0 o 1. Además, debido a que los fotones pueden existir en dos estados al mismo tiempo, un solo fotón puede fluir en dos direcciones a la vez. , que es un valor que también es una combinación de 0: 1.

Ben Bartlett, ex alumno de Stanford, profesor de ingeniería eléctrica y Shanghai Fan, propuso una formulación más simple de computadoras cuánticas de fotones utilizando componentes disponibles. Préstamo: Ben Bartlett / Rod Cersei

Los investigadores pueden manipular el fotón dirigiéndolo desde el anillo de almacenamiento a la unidad de dispersión, donde viaja a una cavidad que contiene un átomo. El fotón luego interactúa con el átomo, lo que hace que los dos se entrelacen, un fenómeno cuántico en el que dos partículas pueden interactuar entre sí incluso a largas distancias. Luego, el fotón vuelve al anillo de almacenamiento, el láser cambia el estado del átomo. Debido a que el átomo y el fotón están entrelazados, la manipulación del átomo también afecta el estado de su fotón combinado.

«Al medir el estado del átomo, se puede transmitir la acción sobre los fotones», dijo Bartlett. «Así que solo necesitamos un qubit atómico controlable, podemos usarlo como intermediario para manipular indirectamente todos los demás qubits fotónicos».

Dado que cualquier puerta lógica cuántica se puede formar en una secuencia de acciones en un átomo, en principio, puede ejecutar cualquier programa cuántico de cualquier tamaño utilizando solo un qubit atómico controlable. Para ejecutar el programa, el código se traduce en una secuencia de acciones que dirigen los fotones hacia la unidad de dispersión, manipulando el qubit atómico. Debido a que puede controlar la interacción de átomos y fotones, el mismo dispositivo puede ejecutar muchas aplicaciones cuánticas diferentes.

«Para muchas computadoras cuánticas fotónicas, las puertas de enlace son las estructuras físicas a través de las cuales pasan los fotones, por lo que si desea cambiar el programa actual, a menudo implica reorganizar físicamente el hardware», dijo Bartlett. «Si bien en este caso no es necesario cambiar el dispositivo, solo debe darle al automóvil un conjunto diferente de instrucciones».

Referencia. «Computación cuántica fotónica determinista en una dimensión de tiempo sintética» por Ben Bartlett, Avik Duti և Shanghai Fan, 29 de noviembre de 2021 ÓPTICO:.
DOI: 10.1364 / OPTICA.424258:

El becario postdoctoral de Stanford, Avik Dutt, también es coautor de este trabajo. Fan es profesor de ingeniería eléctrica y miembro del Stanford Bio-X և Precourt Institute for Energy.

Esta investigación fue financiada por el Departamento de Defensa de EE. UU. Y la Oficina de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU.