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

Immagina di cercare di costruire un castello massiccio e intricato fatto di mattoncini LEGO. Nel mondo del calcolo quantistico, questi "mattoncini" sono minuscole particelle di luce chiamate fotoni, e il "castello" è una complessa rete di connessioni nota come stato entangled. Questo è il campo di gioco della scienza dell'informazione quantistica, un settore che mira a utilizzare le regole bizzarre del mondo del microscopico per risolvere problemi che richiederebbero ai nostri attuali supercomputer un tempo infinito per decifrare. Ma ecco il problema: ottenere abbastanza fotoni con cui giocare è incredibilmente difficile. È come cercare di costruire il tuo castello mentre aspetti che un singolo, raro mattoncino cada dal cielo ogni poche ore. Gli scienziati hanno cercato di risolvere questo problema usando molti fotoni contemporaneamente, ma è come cercare di afferrare cento mattoncini che cadono simultaneamente; spesso mancano il bersaglio, o l'intero cumulo crolla.

Per aggirare questo ostacolo, i ricercatori hanno esplorato un trucco astuto: invece di aspettare più mattoncini, e se potessimo far sì che un singolo mattoncino faccia il lavoro di molti? I fotoni sono speciali perché hanno diversi "sapori" o modi in cui possono vibrare, muoversi o esistere, noti come gradi di libertà. Pensa a un fotone non solo come a una singola perla, ma come a una perla magica che può essere dipinta in molti colori, modellata in molte forme e posizionata in molti posti tutti insieme. Codificando l'informazione in questi diversi "sapori" di un singolo fotone, gli scienziati possono impacchettare una grande quantità di dati in una sola minuscola particella. Questo articolo approfondisce come utilizzare questa strategia del "super-mattoncino" per costruire strutture quantistiche più grandi e complesse senza aver bisogno di una montagna di rari fotoni.

I ricercatori, lavorando con chip di silicio che guidano la luce come piccole autostrade, propongono un nuovo modo per generare questi stati quantistici complessi. Invece di lottare per creare molti fotoni contemporaneamente, prendono un gruppo più piccolo di fotoni e usano un trucco "ad alta dimensionalità" per distendere ciascuno di essi in modo da contenere più pezzi di informazione. Immagina di prendere un singolo filo di lana e piegarlo in una complessa forma di origami che rappresenta un intero team di persone. Nel loro esperimento, hanno usato un chip di silicio programmabile per prendere quattro fotoni e, manipolando i loro percorsi e misurandoli in un modo specifico e stratificato, li hanno trasformati in un enorme stato quantistico a 16 qubit (un "qubit" è l'unità fondamentale dell'informazione quantistica, come un bit in un computer normale).

Il team ha dimostrato questo costruendo due tipi specifici di "castelli" quantistici. Per prima cosa, hanno costruito uno stato Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), che è un tipo speciale di gruppo super-connesso dove, se cambi una parte, l'intero sistema cambia istantaneamente. Sono riusciti a creare una versione a 10 qubit di questo stato utilizzando solo quattro fotoni, provando che l'idea del "un fotone, molti lavori" funziona. Hanno misurato la qualità di questo stato e hanno scoperto che era incredibilmente accurata, con una "fedeltà" (un punteggio di quanto sia vicino alla versione teorica perfetta) di 0,961 per una versione a 4 qubit. Ancora più impressionante, hanno verificato che il loro stato a 10 qubit era genuinamente entangled, un'impresa che sarebbe stata quasi impossibile con i metodi tradizionali perché la probabilità di far lavorare insieme 10 fotoni è così astronomicamente bassa che ci vorrebbe più tempo dell'età dell'universo per vederla accadere.

In secondo luogo, hanno usato questo stesso approccio per costruire uno "stato cluster" con un solo fotone. Questo tipo di stato cluster è il carburante per un tipo specifico di calcolo quantistico chiamato "calcolo quantistico a via singola" (one-way quantum computing). Hanno dimostrato che questo stato cluster a singolo fotone era di una qualità tale (con una fedeltà di 0,991) da poter essere utilizzato per eseguire un famoso algoritmo di ricerca chiamato algoritmo di Grover. Nel loro test, il chip ha trovato con successo un elemento "segnato" in un database di quattro possibilità con un tasso di successo del 98,7%.

L'articolo sostiene che questo metodo sia una strada molto più efficiente rispetto al tentativo di generare enormi quantità di fotoni contemporaneamente. Mentre i metodi tradizionali lottano con la bassa efficienza e gli alti tassi di errore quando si scala verso l'alto, questo approccio di "codifica ad alta dimensionalità" permette di costruire stati più grandi e complessi con meno risorse. Gli autori suggeriscono che con questa tecnica potrebbe essere possibile creare eventualmente stati quantistici con centinaia di qubit su un singolo chip. Non si sono limitati a suggerirlo; hanno costruito i circuiti, eseguito gli esperimenti e misurato i risultati, dimostrando che la strategia del "fotone origami" è una soluzione reale e funzionante a uno dei più grandi colli di bottiglia del calcolo quantistico.