Generation of entanglement statistics with a large-scale integrated photonic-electronic circuit
Diese Arbeit demonstriert einen skalierbaren optoelektronischen Ansatz zur Quanteninformationsverarbeitung durch die Verwendung eines 32-kanaligen integrierten photonisch-elektronischen Schaltkreises zum Mischen analoger Fotoströme im Radiofrequenzbereich, wobei erfolgreich Verschränkung mit einem Eigenwert der partiellen Transposition von 0,99270 erzeugt wurde, was den Weg für hybride photonisch-elektronische Quantencomputer ebnet.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Die Quanteninformationswissenschaft versucht, die seltsamen Regeln der subatomaren Welt zu nutzen, um Daten auf eine Weise zu verarbeiten, die für klassische Computer unmöglich ist. Ein bedeutender Ansatz besteht darin, Informationen nicht in diskreten Teilchen wie einzelnen Photonen zu kodieren, sondern in den kontinuierlichen, wellenartigen Eigenschaften des Lichts, wie etwa der Stärke und dem Timing seiner Oszillationen. Um eine Maschine bauen zu können, die komplexe Berechnungen mit diesen Wellen durchführt, müssen Wissenschaftler in der Lage sein, viele verschiedene Lichtsignale gleichzeitig zu mischen und zu transformieren. Historisch gesehen erforderte dies komplizierte Netzwerke aus Spiegeln, Strahlteilern und anderen optischen Komponenten. Doch jedes Mal, wenn Licht von einer Oberfläche abprallt oder durch eine Linse geht, geht ein winziger Teil davon verloren. In der empfindlichen Welt des Quantencomputings kann selbst dieser kleine Verlust die fragilen Verbindungen, oder Verschränkungen, zerstören, die das System zusammenhalten. Die Herausforderung bestand darin, diese Systeme hochzuskalieren, um viele Signale zu verarbeiten, ohne die unvermeidliche Degradation durch die physische Hardware selbst.
Forscher am California Institute of Technology haben einen neuen Weg aufgezeigt, um dieses Problem zu lösen, indem sie den Mischprozess aus der Welt des Lichts in die Welt der Elektronik verlagern. Anstatt zu versuchen, das Licht durch ein komplexes Labyrinth aus optischen Komponenten zu leiten, um die gewünschten Verbindungen zu erzeugen, konvertiert das Team das Licht zuerst in elektrische Signale und führt die Mischung dann elektronisch durch. Sie verwendeten einen großen, integrierten Chip mit zweiunddreißig separaten Kanälen, von denen jeder mit einem Sensor ausgestattet ist, der einfallendes Licht in einen elektrischen Strom umwandelt. Dieser Chip wurde mit einer speziellen Art von Licht bestrahlt, die als „gequetschtes Vakuum“ (squeezed vacuum) bekannt ist; dieses weist eine reduzierte Rauschintensität in einer Eigenschaft auf und ist eine Schlüsselressource für das Quantencomputing. Sobald das Licht auf die Sensoren traf, wurden die resultierenden elektrischen Ströme kombiniert und von einem Hochfrequenznetzwerk verarbeitet, das direkt auf dem Chip aufgebaut war. Dieses elektronische Netzwerk führte dieselben mathematischen Transformationen durch, die ein komplexer optischer Schaltkreis durchgeführt hätte, jedoch ohne dass das Licht jemals durch die verlustbehafteten Komponenten reisen musste, die normalerweise das Signal degradieren.
Das Experiment konzentrierte sich auf die Erzeugung einer spezifischen Art von Quantenverbindung zwischen zwei Moden des Lichts, einer Struktur, die als Zwei-Moden-Clusterzustand bekannt ist. In einem traditionellen Aufbau würde dies eine präzise Anordnung optischer Elemente erfordern, durch die das Licht fließen muss, bevor es gemessen wird. In diesem neuen Ansatz wurde das Licht zuerst detektiert, und die Mischung fand erst danach im elektronischen Bereich statt. Die Forscher rekonstruierten die statistischen Eigenschaften des Lichts an dem Punkt, an dem es in den Chip eintrat, und simulierten effektiv das optische Netzwerk durch elektronische Verarbeitung. Sie fanden heraus, dass der resultierende Zustand physikalisch gültig war und entscheidend, eine Verschränkung aufwies. Durch die Analyse der Daten berechneten sie einen spezifischen Wert, der bestimmt, ob zwei Quantensysteme miteinander verknüpft sind. Das Ergebnis war 0,99270, eine Zahl, die deutlich unter dem Schwellenwert liegt, der erforderlich ist, um die Systeme als getrennt zu betrachten. Dies bestätigt, dass die Verschränkung vor der Detektion im Licht existierte, was beweist, dass die elektronische Verarbeitung die Quantenverbindung erfolgreich bewahrt hat, ohne das Licht direkt manipulieren zu müssen.
Diese Methode bietet einen signifikanten Vorteil, da die zur Mischung der Signale verwendeten elektronischen Komponenten nicht die gleiche Art von Verlust verursachen wie optische Komponenten. In einem Standard-Optiknetzwerk führt das Hinzufügen weiterer Schichten von Spiegeln und Splittern zur Handhabung weiterer Signale zu mehr Verlust, was das System schließlich unbrauchbar macht. Hier findet die Mischung statt, nachdem das Licht in Elektrizität umgewandelt wurde, sodass die Tiefe des elektronischen Schaltkreises den ursprünglichen Quantenzustand nicht abschwächt. Der einzige Verlust, der auftritt, ist die anfängliche Umwandlung von Licht in Elektrizität, welche die Forscher als extrem effizient gemessen haben. Die Studie zeigt, dass durch die Auslagerung der Transformationsaufgabe auf die Elektronik die Skalierbarkeit des Systems nach den Fähigkeiten integrierter elektronischer Schaltkreise erfolgt, anstatt durch die Komplexität optischer Netzwerke begrenzt zu sein.
Die Ergebnisse deuten auf einen Weg hin, größere, robustere Quantenprozessoren zu bauen. Die Forscher demonstrierten, dass ein Zweiunddreißig-Kanal-Array verwendet werden kann, um Quanteninformationen auszulesen und zu verarbeiten, wobei in diesem spezifischen Test acht Kanäle aktiv waren. Die elektronische Verarbeitung war programmierbar, was bedeutet, dass dieselbe Hardware konfiguriert werden konnte, um unterschiedliche Transformationen durchzuführen, indem man einfach die elektrischen Einstellungen ändert, ohne optische Komponenten physisch neu anordnen zu müssen. Während das aktuelle Experiment Raumtemperatur-Elektronik verwendete, merken die Autoren an, dass diese Architektur auch für den Einsatz mit supraleitenden Schaltkreisen bei extrem niedrigen Temperaturen angepasst werden könnte. In einem solchen Aufbau könnte das System potenziell Quantenzustände zwischen optischem Licht und Mikrowellensignalen übertragen und so die Lücke zwischen verschiedenen Arten von Quantenhardware schließen. Die Arbeit behauptet nicht, alle Probleme des Quantencomputings gelöst zu haben, bietet aber eine konkrete Demonstration dafür, dass die Verlagerung der Mischschicht von der Optik zur Elektronik eine praktikable Strategie ist, um Quanteninformationen zu bewahren und diese Systeme zu skalieren.
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