On-chip generation of multi-qubit graph states with high-dimensional encoded single photons

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine riesige, komplizierte Burg aus LEGO-Steinen zu bauen. In der Welt des Quantencomputings sind diese „Steine“ winzige Lichtteilchen, die man Photonen nennt, und die „Burg“ ist ein komplexes Geflecht aus Verbindungen, das als verschränkter Zustand bekannt ist. Dies ist der Spielplatz der Quanteninformationswissenschaft – ein Feld, das darauf abzielt, die seltsamen Regeln des extrem Kleinen zu nutzen, um Probleme zu lösen, für deren Bewältigung unsere heutigen Supercomputer ewig brauchen würden. Aber hier liegt der Haken: Genug Photonen zum Spielen zu bekommen, ist unglaublich schwer. Es ist, als würde man versuchen, seine Burg zu bauen, während man darauf wartet, dass alle paar Stunden ein einz-ger, seltener Stein vom Himmel fällt. Wissenschaftler haben versucht, dies zu lösen, indem sie viele Photonen gleichzeitig verwenden, aber das ist, als würde man versuchen, hundert herabfallende Steine gleichzeitig aufzufangen; oft verfehlt man sie, oder der ganze Haufen bricht zusammen.

Um dies zu umgehen, haben Forscher einen cleveren Trick erfunden: Anstatt auf mehr Steine zu warten, was wäre, wenn wir einen einzigen Stein die Arbeit von vielen machen lassen könnten? Photonen sind besonders, weil sie verschiedene „Geschmacksrichtungen“ oder Arten haben, wie sie vibrieren, sich bewegen oder existieren können, was man Freiheitsgrade nennt. Denken Sie nicht nur an ein Photon als eine einzelne Perle, sondern als eine magische Perle, die in vielen Farben bemalt, in vielen Formen gestaltet und an vielen Orten gleichzeitig platziert werden kann. Indem man Informationen in diese verschiedenen „Geschmacksrichtungen“ eines einzelnen Photons kodiert, kann man eine Menge an Daten in ein einziges winziges Teilchen packen. Dieses Paper vertieft sich darin, wie man diese „Super-Stein“-Strategie nutzt, um größere, komplexere Quantenstrukturen zu bauen, ohne eine Bergung an seltenen Photonen zu benötigen.

Die Forscher, die mit Siliziumchips arbeiteten, die das Licht wie winzige Autobahnen leiten, schlagen einen neuen Weg vor, um diese komplexen Quantenzustände zu erzeugen. Anstatt zu kämpfen, viele Photonen gleichzeitig zu erzeugen, nehmen sie eine kleinere Gruppe von Photonen und nutzen einen „hochdimensionalen“ Trick, um jedes einzelne so weit „auszustrecken“, dass es mehrere Informationsteile halten kann. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen einen einzigen Faden Wolle und falten ihn zu einer komplexen Origami-Form, die ein ganzes Team von Menschen repräsentiert. In ihrem Experiment verwendeten sie einen programmierbaren Siliziumchip, um vier Photonen zu nehmen und, indem sie ihre Pfade manipulierten und sie auf eine spezifische, geschichtete Weise maßen, sie in einen riesigen 16-Qubit-Quantenzustand zu verwandeln (ein „Qubit“ ist die Basiseinheit der Quanteninformation, ähnlich einem Bit in einem normalen Computer).

Das Team demonstrierte dies, indem sie zwei spezifische Arten von Quanten-„Burgen“ errichteten. Zuerst bauten sie einen Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand (GHZ-Zustand), eine spezielle Art von super-verbundener Gruppe, bei der sich das gesamte System augenblicklich ändert, wenn man einen Teil verändert. Es gelang ihnen, eine 10-Qubit-Version dieses Zustands mit nur vier Photonen zu erstellen, was bewies, dass die Idee „Ein Photon, viele Jobs“ funktioniert. Sie maßen die Qualität dieses Zustands und fanden heraus, dass er unglaublich genau war, mit einer „Fidelity“ (einem Score dafür, wie nah man der perfekten theoretischen Version kommt) von 0,961 für eine 4-Qubit-Version. Noch beeindruckender war, dass sie verifizierten, dass ihr 10-Qubit-Zustand echt verschränkt war – eine Leistung, die mit traditionellen Methoden fast unmöglich gewesen wäre, da die Chance, dass 10 Photonen zusammenarbeiten, astronomisch gering ist, sodass es länger als das Alter des Universums dauern würde, dies zu beobachten.

Zweitens nutzten sie denselben Ansatz, um einen „Cluster-Zustand“ mit nur einem einzigen Photon zu bauen. Dies ist die Art von Zustand, die der Treibstoff für eine bestimmte Art des Quantencomputings ist, das sogenannte „One-Way-Quantum-Computing“. Sie zeigten, dass dieser Einzelphoton-Cluster-Zustand von einer so hohen Qualität (mit einer Fidelity von 0,991) war, dass man ihn nutzen konnte, um einen berühmten Suchalgorithmus namens Grover-Algorithmus auszuführen. In ihrem Test fand der Chip ein „markiertes“ Element in einer Datenbank mit vier Möglichkeiten mit einer Erfolgsrate von 98,7 %.

Das Paper argumentiert, dass diese Methode ein viel effizienterer Weg nach vorne ist, als zu versuchen, riesige Mengen an Photonen gleichzeitig zu erzeugen. Während traditionelle Methoden mit geringer Effizienz und hohen Fehlerraten beim Skalieren zu kämpfen haben, ermöglicht dieser Ansatz der „hochdimensionalen Kodierung“ den Aufbau größerer und komplexerer Zustände mit weniger Ressourcen. Die Autoren schlagen vor, dass es mit dieser Technik möglich sein könnte, irgendwann hunderte von Qubits auf einem einzigen Chip zu erschaffen. Sie haben dies nicht nur vorgeschlagen; sie haben die Schaltkreise tatsächlich gebaut, die Experimente durchgeführt und die Ergebnisse gemessen, womit sie zeigten, dass die „Origami-Photon“-Strategie eine reale, funktionierende Lösung für einen der größten Engpässe des Quantencomputings ist.