Новая часть головоломки квантовых вычислений, обнаруженная исследователями

«В идеальном случае точность может достигать 97%», — сказал Юнг-Цунг Шен, доцент кафедры электротехники и системной инженерии Престона М. Грина, который разработал детерминированный двухразрядный алгоритм с высокой точностью воспроизведения. квантовый логический вентиль, использующий новую форму света.

Детерминированный, высокоточный, двухбитовый квантовый логический вентиль, использующий преимущества новой формы света. Этот новый логический вентиль на порядки более эффективен, чем нынешняя технология. Предоставлено: Юнг-Цунг Шен.

Этот новый логический вентиль на порядки более эффективен, чем нынешняя технология.

Потенциал квантовых компьютеров связан с необычными свойствами суперпозиции — способностью квантовой системы одновременно содержать множество различных свойств или состояний — и запутанностью — двумя частицами, действующими так, как если бы они коррелировали в неклассическом образом, несмотря на то, что они физически удалены друг от друга.

Если напряжение определяет значение бита (1 или 0) в классическом компьютере, исследователи часто используют отдельные электроны в качестве «кубитов», квантового эквивалента. У электронов есть несколько характеристик, которые подходят им для этой задачи: ими легко манипулировать с помощью электрического или магнитного поля, и они взаимодействуют друг с другом. Взаимодействие — это преимущество, когда вам нужно связать два бита, позволяя проявиться пустыне квантовой механики.

Но их склонность к взаимодействию также является проблемой. Все, от паразитных магнитных полей до линий электропередач, может влиять на электроны, что затрудняет контроль над ними.

Однако в течение последних двух десятилетий некоторые ученые пытались использовать фотоны в качестве кубитов вместо электронов. «Если компьютеры собираются оказать реальное влияние, нам нужно подумать о создании платформы с использованием света», — сказал Шен.

Фотоны не имеют заряда, что может привести к противоположным проблемам: они не взаимодействуют с окружающей средой, как электроны, но они также не взаимодействуют друг с другом. Также было сложно спроектировать и создать специальные (эффективные) межфотонные взаимодействия. По крайней мере, так было традиционное мышление.

Менее десяти лет назад ученые, работающие над этой проблемой, обнаружили, что, даже если они не были запутаны при входе в логические ворота, измерение двух фотонов при их выходе заставляло их вести себя так, как если бы они были. Уникальные особенности измерения — еще одно безумное проявление квантовой механики.

«Квантовая механика не сложна, но полна сюрпризов», — сказал Шен.

Открытие измерений было революционным, но не совсем переломным. Это потому, что на каждые 1000000 фотонов запутывалась только одна пара. С тех пор исследователи добились большего успеха, но, по словам Шена, «этого все еще недостаточно для компьютера», который должен выполнять от миллионов до миллиардов операций в секунду.

Шен смог построить двухбитный квантовый логический вентиль с такой эффективностью благодаря открытию нового класса квантовых фотонных состояний — фотонных димеров, фотонов, запутанных как в пространстве, так и по частоте. Его предсказание об их существовании было экспериментально подтверждено в 2013 году, и с тех пор он находит приложения для этой новой формы света.

Когда одиночный фотон попадает в логический вентиль, ничего примечательного не происходит — он входит и выходит. Но когда есть два фотона: «Вот тогда мы и предсказали, что эти два могут создать новое состояние, фотонные димеры. Оказывается, это новое состояние имеет решающее значение ».

Двухбитный логический вентиль с высокой точностью воспроизведения, разработанный Юнг-Цунгом Шеном.

Математически существует множество способов создания логического элемента для двухбитовых операций. Эти разные конструкции называются эквивалентными. Конкретный логический вентиль, разработанный Шеном и его исследовательской группой, — это вентиль с управляемой фазой (или вентиль с управляемой Z). Основная функция затвора с управляемой фазой состоит в том, что два выходящих фотона находятся в отрицательном состоянии двух вошедших фотонов.

«В классических схемах нет знака« минус », — сказал Шен. «Но в квантовых вычислениях оказывается, что знак минус существует и имеет решающее значение».

Когда два независимых фотона (представляющих два оптических кубита) входят в логический вентиль, «конструкция логического элемента такова, что два фотона могут образовывать фотонный димер», — сказал Шен. «Оказывается, новое квантовое фотонное состояние имеет решающее значение, поскольку оно позволяет выходному состоянию иметь правильный знак, необходимый для оптических логических операций».

Шен работал с Мичиганским университетом над тестированием своей конструкции, которая представляет собой твердотельный логический вентиль, который может работать в умеренных условиях. Пока, по его словам, результаты кажутся положительными.

Шен говорит, что этот результат, хотя и сбивает с толку большинства, очевиден как день для тех, кто в курсе.

«Это похоже на загадку», — сказал он. «Это может быть сложно сделать, но как только это будет сделано, просто взглянув на него, вы поймете, что это правильно».

Исследование опубликовано в журнале Physical Review A.