Splątanie odgrywa kluczową rolę w informatyce kwantowej. Może być używany w komputerze kwantowym, który może wykonywać wiele operacji matematycznych jednocześnie. Aby efektywnie korzystać z komputera kwantowego, wiele splątanych cząstek musi ze sobą współpracować. Są to podstawowe elementy do obliczeń, tzw. kubity.
Zespół fizyków na Instytut Maxa Plancka of Quantum Optics w Garching po raz pierwszy zademonstrowało to zadanie z fotonami emitowanymi przez pojedynczy atom. Mogli wygenerować do 14 splątanych fotonów w rezonatorze optycznym, które można przygotować do określonych kwantowych stanów fizycznych w ukierunkowany i bardzo wydajny sposób. Nowa metoda może umożliwić budowę potężnych i wytrzymałych komputerów kwantowych oraz służyć w przyszłości bezpiecznej transmisji danych.
Po raz pierwszy zespół wygenerował aż 14 splątane fotony w określony sposób i z wysoką wydajnością.
Philip Thomas, doktorant w Instytucie Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka (MPQ) w Garching pod Monachium, powiedział: „Sztuczka w tym eksperymencie polegała na tym, że użyliśmy pojedynczego atomu do wyemitowania fotonów i splotu ich w bardzo specyficzny sposób. W tym celu umieściliśmy atom rubidu w środku wnęki optycznej – komory echa dla fal elektromagnetycznych. Stan atomu można było precyzyjnie określić za pomocą światła laserowego o określonej częstotliwości. Używając dodatkowego impulsu kontrolnego, naukowcy wywoływali również emisję fotonu splątanego ze stanem kwantowym atomu”.
„Powtórzyliśmy ten proces kilkakrotnie i w ustalony wcześniej sposób. W międzyczasie atom był manipulowany w pewien sposób – w technicznym żargonie: obrócony. W ten sposób udało się stworzyć łańcuch do 14 lekkich cząstek splątanych przez rotacje atomów i doprowadzonych do pożądanego stanu.”
„Według naszej najlepszej wiedzy 14 połączonych ze sobą cząstek światła to jak dotąd największa liczba splątanych fotonów wygenerowanych w laboratorium”.
„Ponieważ łańcuch fotonów wyłonił się z pojedynczego atomu, można go było wytwarzać deterministycznie. Oznacza to, że w zasadzie każdy impuls sterujący dostarcza foton o pożądanych właściwościach. Do tej pory splątanie fotonów odbywało się zwykle w specjalnych, nieliniowych kryształach. Wada: cząsteczki światła powstają losowo i w sposób, którego nie można kontrolować. Ogranicza to również liczbę cząstek skupionych w stanie kolektywnym”.
Zastosowana przez naukowców metoda pozwala na wygenerowanie dowolnej liczby splątanych fotonów. Jest również wydajny: udowodniliśmy wydajność prawie 50 procent, mierząc wyprodukowany łańcuch fotonów.
Thomas powiedziany, „Oznacza to: prawie co drugie „naciśnięcie przycisku” na atomie rubidu dostarcza użytecznej cząstki światła – znacznie więcej niż osiągnięto w poprzednich eksperymentach”.
Dyrektor Gerhard Rempe powiedział: „W sumie nasza praca usuwa wieloletnią przeszkodę na drodze do skalowalności, opartej na pomiarach informatyka kwantowa".
Naukowcy z MPQ chcą pozbyć się jeszcze jednej przeszkody. Na przykład dwa atomy byłyby potrzebne jako źródła fotonów w rezonatorze do złożonych operacji komputerowych. Według fizyków kwantowych istnieje dwuwymiarowy stan skupienia.
Philip Thomas powiedział: „Już pracujemy nad rozwiązaniem tego zadania”.
Referencje czasopisma:
- Thomas P., Ruscio L., Morin O. i in. Efektywne generowanie splątanych stanów grafu wielofotonowego z pojedynczego atomu. Natura 608, 677-681 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5
