Tyrėjai žengė svarbų žingsnį kuriant daugiamates kvantines skaičiavimo sistemas. Klasikiniai kompiuteriai veikia tik su reikšmėmis „0“ ir „1“, tačiau mokslininkai šiuo metu tiria naują technologiją, leidžiančią kvantiniuose kompiuteriuose vienu metu naudoti keturias būsenas.
Bendra „TU Wien“ ir Kinijos mokslininkų komanda pasiekė naujo tipo kvantinį skaičiavimą. Pasak tyrėjų, jiems pavyko realizuoti naujo tipo kvantinį loginį vartus, leidžiančius atlikti kvantinius skaičiavimus su fotonų poromis, kurių kiekvienas gali būti keturiose skirtingose kvantinėse būsenose. Šis žingsnis laikomas svarbiu etapu optinių kvantinių kompiuterių raidoje, atveriančiu naujas galimybes.
Kvantinio skaičiavimo eksperimentai su fotonais
„Mes naudojame fotonus iš esmės kitu būdu“, – aiškina Nicolai’us Friis’as iš „TU Wien“ Atominės ir subatominės fizikos instituto.
„Mūsų nedomina poliarizacija – mus domina erdvinė fotonų banginė forma, kuri gali būti begalinėje daugybėje skirtingų būsenų, atitinkančių skirtingus orbitinius sukinius.“
Komanda sukūrė metodą, veikiantį su dviem tokiais fotonais: abu jie gali būti savavališkose skirtingų banginių formų superpozicijose. Sudėtingai manipuliuojant, du iš pradžių tarpusavyje nepriklausomi fotonai gali būti atvesti į bendrą būseną – vadinamąją supintąją (angl. entangled) būseną. Lygiai taip pat naujieji kvantiniai loginiai vartai gali būti naudojami ir dviem supintiems fotonams kontroliuojamai atskirti, kad jų būsenos vėl taptų viena nuo kitos nepriklausomos.
Iki šiol kvantinio skaičiavimo eksperimentai su fotonais dažniausiai buvo grindžiami fotonų poliarizacija – savybe, turinčia dvi galimas matavimo baigtis. Kvantinės fizikos požiūriu fotonas gali būti šių dviejų galimybių superpozicijoje, tarsi judėtų tuo pačiu metu ir į šiaurę, ir į rytus, kai einama šiaurės rytų kryptimi.
Tyrėjų teigimu, vienas pagrindinių iššūkių, trukdančių realizuoti kvantinius loginius vartus tarp dviejų atskirų fotonų, yra ribotos jų tiesioginės sąveikos galimybės linijinėse terpėse.
Šią problemą mokslininkai sprendė pristatydami protokolą, leidžiantį realizuoti supinančiuosius vartus – valdomuosius fazės apvertimo (controlled phase-flip) vartus – dviem fotoniniams kvaditams bet kokioje dimensijoje.
Fotoniniai kvaditai
Mokslinis darbas, paskelbtas žurnale „Nature Photonics“, eksperimentiškai parodo šio protokolo įgyvendinimą, realizuojant keturių matmenų kvaditų valdomuosius fazės apvertimo vartus. Jei šiuos daugiamates vartus būtų bandoma suskaidyti į įprastus dvimačius kvantinius procesus, tam prireiktų mažiausiai 13 dviejų kubitų supinančiųjų vartų.
„Mūsų fotoniniai kvaditai yra užkoduoti orbitiniame kampiniame impulse, o mes sukūrėme naują aktyvią aukštos tikslumos fazės užrakinimo technologiją. Ji leido sukonstruoti daugiamačio orbitinio kampinio impulso pluošto skirstytuvą, kuris padidina valdomųjų fazės apvertimo vartų stabilumą. Dėl to pasiektas proceso ištikimumas patenka į intervalą [0,71 ± 0,01; 0,85 ± 0,01]“, – teigiama tyrime.
Pasak mokslininkų, šis darbas yra svarbus žingsnis į priekį kuriant aukštos dimensijos optinį kvantinį informacijos apdorojimą. Be to, ši technologija turi potencialo būti pritaikyta ir už optinių sistemų ribų.
