量化 Qudits 的新测量提供了对量子未来的一瞥

量化 Qudits 的新测量提供了对量子未来的一瞥

利用现有的实验和计算资源,一个多机构团队开发了一种有效的方法,用于在单个光学芯片上测量以量子频率梳(一种光子源)编码的高维量子位。

尽管“qudit”这个词可能看起来像一个拼写错误,但这个鲜为人知的 qubit 或量子位的表亲可以携带更多信息并且更能抵抗噪声——这两者都是提高量子网络性能所需的关键品质、量子密钥分发系统,以及最终的量子互联网。

经典计算机位将数据分类为 1 或 0,而量子位可以保存 1、0 或 两者 – 同时 – 由于叠加,这是一种允许多个量子态同时存在的现象。 qudit 中的“d”代表可以在光子上编码的不同级别或值的数量。传统的量子位有两个级别,但添加更多级别会将它们转换为量子位。

最近,来自美国能源部橡树岭国家实验室、普渡大学和瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的研究人员充分表征了一对纠缠的八能级 qudits,它们形成了一个 64 维量子空间——将离散频率模式的先前记录。这些结果发表在Nature Communications上。

“我们一直都知道,可以使用光子的颜色或光频率对 10 级或 20 级甚至更高级别的量子位进行编码,但问题是测量这些粒子非常困难,”Hsuan-Hao Lu 说, ORNL 的博士后研究员。 “这就是这篇论文的价值——我们发现了一种在实验方面相对容易实现的高效且新颖的技术。”

当 Qudits 纠缠在一起时,它们甚至更难测量,这意味着无论它们之间的物理距离如何,它们都具有非经典相关性。尽管存在这些挑战,频率仓对——两个以光子形式纠缠在其频率中的量子位——非常适合携带量子信息,因为它们可以通过光纤遵循规定的路径而不会受到环境的显着改变。

“我们将最先进的频率仓生产与最先进的光源相结合,然后使用我们的技术以前所未有的精度来表征高维量子纠缠, ”维格纳研究员兼 ORNL 研究科学家约瑟夫·卢肯斯 (Joseph Lukens) 说。

研究人员通过将激光照射到微环谐振器开始他们的实验,微环谐振器是一种由 EPFL 制造的圆形片上设备,旨在产生非经典光。这个强大的光子源占据 1 平方毫米的空间——大小与削尖的铅笔尖相当——并允许团队以量子频率梳的形式生成频率仓对。

通常,qudit 实验要求研究人员构建一种称为量子门的量子电路。但在这种情况下,该团队使用电光相位调制器来混合不同频率的光,并使用脉冲整形器来修改这些频率的相位。这些技术在普渡大学的 Andrew Weiner 领导的超快光学和光纤通信实验室进行了广泛研究,Lu 在加入 ORNL 之前曾在那里学习。

这些光学设备在电信行业中很常见,研究人员随机执行这些操作以捕获许多不同的频率相关性。卢说,这个过程就像掷一对六面骰子并记录每个数字组合出现的次数——但现在骰子相互纠缠在一起。

“这种涉及相位调制器和脉冲整形器的技术在超快和宽带光子信号处理的经典环境中得到了大力追求,并已扩展到频率量子的量子途径,”Weiner 说。

为了向后工作并推断哪些量子态产生了适合 qudit 应用的频率相关性,研究人员开发了一种基于称为贝叶斯推理的统计方法的数据分析工具,并在 ORNL 进行了计算机模拟。这一成就建立在团队之前专注于执行贝叶斯分析和重建量子态的工作之上。

研究人员现在正在微调他们的测量方法,为一系列实验做准备。通过光纤发送信号,他们旨在测试量子通信协议,例如隐形传态(一种传输量子信息的方法)和纠缠交换(纠缠两个先前不相关的粒子的过程)。

普渡大学的研究生 Karthik Myilswamy 计划将微型环形谐振器带到 ORNL,这将使团队能够在实验室的量子局域网上测试这些功能。

“现在我们有了一种有效表征纠缠频率量子位的方法,我们可以进行其他面向应用的实验,”Myilswamy 说。

这项研究得到了美国能源部高级科学计算研究计划和早期职业研究计划、国家科学基金会、空军科学研究办公室和瑞士国家科学基金会的支持。

UT-Battelle 为美国能源部科学办公室管理 ORNL,该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。 DOE 的科学办公室正在努力解决我们这个时代的一些最紧迫的挑战。如需更多信息,请访问 https://energy.gov/science

图片:此处显示为闭环的微环形谐振器产生高维光子对。研究人员通过操纵不同频率或颜色的光和混合频率的相位来检查这些光子,如交叉的多色线所示。

自然通讯,DOI,10.1038/s41467-022-31639-z,高维片上双光子频率梳的贝叶斯层析成像与随机测量

通过 AAAS 和 EurekAlert 由美国能源部/橡树岭国家实验室提供!

来源: CleanTechnica </a

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