Kietoutumisella on keskeinen rooli kvanttitietotieteessä. Sitä voidaan käyttää kvanttitietokoneessa, joka voi suorittaa useita matemaattisia operaatioita samanaikaisesti. Jotta kvanttitietokonetta voitaisiin käyttää tehokkaasti, monien sotkeutuneiden hiukkasten on toimittava yhdessä. Ne ovat olennaisia elementtejä laskelmissa, niin sanottuja kubitteja.
Fyysikoiden ryhmä Max Planck -instituutti Garchingin Quantum Optics on nyt ensimmäistä kertaa osoittanut tämän tehtävän yhden atomin lähettämillä fotoneilla. Ne voisivat tuottaa jopa 14 kietoutunutta fotonia optisessa resonaattorissa, jotka voidaan valmistaa määrättyihin kvanttifysikaalisiin tiloihin kohdistetulla ja erittäin tehokkaalla tavalla. Uusi menetelmä voisi mahdollistaa tehokkaiden ja kestävien kvanttitietokoneiden rakentamisen ja palvella turvallista tiedonsiirtoa tulevaisuudessa.
Tämä on ensimmäinen kerta, kun joukkue on kerännyt enintään 14 sotkeutuneita fotoneja määrätyllä tavalla ja korkealla tehokkuudella.
Philip Thomas, tohtoriopiskelija Max Planck Institute of Quantum Opticsissa (MPQ) Garchingissa lähellä Müncheniä, sanoi: "Tämän kokeen temppu oli, että käytimme yhtä atomia fotonien emittoimiseen ja niiden yhdistämiseen hyvin erityisellä tavalla. Tätä varten asetimme rubidiumatomin optisen ontelon keskelle – sähkömagneettisten aaltojen kaikukammioon. Atomin tila voitaisiin käsitellä tarkasti tietyn taajuuden laservalolla. Ylimääräisen ohjauspulssin avulla tutkijat laukaisivat myös atomin kvanttitilaan sotkeutuneen fotonin emission."
”Toistimme tämän prosessin useita kertoja ja aiemmin määrätyllä tavalla. Välissä atomia manipuloitiin tietyllä tavalla – teknisesti sanottuna: kierrettiin. Tällä tavalla pystyttiin muodostamaan jopa 14 kevyen hiukkasen ketju, jotka kietoutuivat atomien pyörimiseen ja saatettiin haluttuun tilaan."
"Parhaan tietomme mukaan 14 toisiinsa kytkettyä valohiukkasta ovat suurin määrä laboratoriossa tähän mennessä tuotettuja sotkeutuneita fotoneja."
"Koska fotoniketju syntyi yhdestä atomista, se voitiin tuottaa deterministisesti. Tämä tarkoittaa, että periaatteessa jokainen ohjauspulssi tuottaa fotonin, jolla on halutut ominaisuudet. Tähän asti fotonien kietoutuminen tapahtui yleensä erityisissä, epälineaarisissa kiteissä. Puute: valohiukkaset syntyvät satunnaisesti ja tavalla, jota ei voida hallita. Tämä rajoittaa myös kollektiiviseen tilaan niputettujen hiukkasten määrää."
Tutkijoiden käyttämä menetelmä mahdollistaa minkä tahansa määrän kietoutuneita fotoneja. Se on myös tehokas: Todistimme lähes 50 prosentin tehokkuuden mittaamalla tuotetun fotoniketjun.
Thomas sanoi, "Tämä tarkoittaa: melkein joka toinen rubidiumatomin "napin painallus" antoi käyttökelpoisen kevyen hiukkasen - paljon enemmän kuin aikaisemmissa kokeissa on saavutettu."
Ohjaaja Gerhard Rempe sanoi: ”Kaiken kaikkiaan työmme poistaa pitkäaikaisen esteen tieltä skaalautuvaan, mittauspohjaiseen kvanttilaskenta"
MPQ:n tutkijat haluavat päästä eroon vielä yhdestä esteestä. Esimerkiksi kaksi atomia tarvittaisiin fotonilähteinä resonaattorissa monimutkaisiin tietokonetoimintoihin. Kvanttifyysikoiden mukaan on olemassa kaksiulotteinen klusterin tila.
Philip Thomas sanoi: "Olemme jo työstämässä tätä tehtävää."
Lehden viite:
- Thomas, P., Ruscio, L., Morin, O. et ai. Tehokas kietoutuneiden monifotonigrafioiden tilojen luominen yhdestä atomista. luonto 608, 677–681 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5
