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

Stel je voor dat je een enorm, ingewikkeld kasteel probeert te bouwen van LEGO-stenen. In de wereld van quantumcomputing zijn deze "stenen" piepkleine lichtdeeltjes die fotonen worden genoemd, en het "kasteel" is een complex web van verbindingen dat een verstrengelde toestand wordt genoemd. Dit is het speelveld van de quantuminformatiewetenschap, een vakgebied dat ernaar streeft om de vreemde regels van het zeer kleine te gebruiken om problemen op te lossen die onze huidige supercomputers voor eeuwig zouden duren. Maar hier zit de crux: genoeg fotonen krijgen om mee te spelen is ongelooflijk moeilijk. Het is also': proberen je kasteel te bouwen terwijl je wacht op een enkele, zeldzame steen die elke paar uur uit de lucht valt. Wetenschappers hebben geprobeerd dit op te lossen door in één keer veel fotonen te gebruiken, maar dat is alsof je probeert honderd vallende stenen tegelijk te vangen; ze missen er vaak, of de hele stapel stort in.

Om dit te omzeilen, hebben onderzoekers een slimme truc verkend: in plaats van te wachten op meer stenen, wat als we één steen het werk van velen kunnen laten doen? Fotonen zijn speciaal omdat ze verschillende "smaken" of manieren hebben om te trillen, te bewegen of te bestaan, ook wel vrijheidsgraden genoemd. Denk niet alleen aan een foton als een enkel kraaltje, maar als een magisch kraaltje dat in veel kleuren kan worden geschilderd, op veel manieren gevormd kan worden en tegelijkertijd op veel plekken kan zijn. Door informatie in deze verschillende "smaken" van een enkel foton te coderen, kunnen wetenschappers veel data in één klein deeltje verpakken. Dit artikel duikt in hoe je deze "super-steen"-strategie kunt gebruiken om grotere, complexere quantumstructuren te bouwen zonder een berg zeldzame fotonen nodig te hebben.

De onderzoekers, die werkten met siliconen chips die licht leiden als kleine snelwegen, stellen een nieuwe manier voor om deze complexe quantumtoestanden te genereren. In plaats van te worstelen om tegelijkertijd veel fotonen te creëren, nemen ze een kleinere groep fotonen en gebruiken ze een "hoog-dimensionale" truc om elk foton uit te rekken zodat het meerdere stukjes informatie kan vasthouden. Stel je voor dat je een enkele draad wol neemt en deze in een complexe origami-vorm vouwt die een heel team van mensen vertegenwoordigt. In hun experiment gebruikten ze een programmeerbare siliconen chip om vier fotonen te nemen en, door hun paden te manipuleren en ze op een specifieke, gelaagde manier te meten, veranderden ze deze in een gigantische 16-qubit quantumtoestand (een "qubit" is de basiseenheid van quantuminformatie, zoals een bit in een gewone computer).

Het team heeft dit gedemonstreerd door twee specifieke soorten quantum-"kastelen" te bouwen. Eerst bouwden ze een Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) toestand, wat een speciaal soort super-verbonden groep is waarbij als je één deel verandert, het hele geheel direct verandert. Ze slaagden erin om een 10-qubit versie van deze toestand te creëren met slechts vier fotonen, waarmee ze bewezen dat het "één foton, vele banen"-idee werkt. Ze maten de kwaliteit van deze toestand en vonden dat deze ongelooflijk nauwkeurig was, met een "fidelity" (een score van hoe dicht men bij de perfecte theoretische versie ligt) van 0,961 voor een 4-qubit versie. Nog indrukwekkender nog, ze verifieerden dat hun 10-qubit toestand echt verstrengeld was, een prestatie die met traditionele methoden bijna onmogelijk zou zijn geweest omdat de kans dat 10 fotonen samenwerken zo astronomisch laag is dat het langer dan de leeftijd van het universum zou duren om het te zien gebeuren.

Ten tweede gebruikten ze deze zelfde aanpak om een "clusterstate" te bouwen met slechts één enkel foton. Dit type toestand is de brandstof voor een specifiek soort quantumcomputing genaamd "one-way quantum computing". Ze toonden aan dat deze enkelvoudige foton clustertoestand van zo'n hoge kwaliteit was (met een fidelity van 0,991) dat ze deze konden gebruiken om een beroemd zoekalgoritme te draaien, genaamd Grover's algoritme. In hun test vond de chip succesvol een "gemarkeerd" item in een database van vier mogelijkheden met een succespercentage van 98,7%.

Het artikel betoogt dat deze methode een veel efficiëntere weg voorwaarts is dan proberen om enorme aantallen fotonen tegelijkertig te genereren. Terwijl traditionele methoden worstelen met lage efficiëntie en hoge foutmarges wanneer ze opschalen, stelt deze "hoog-dimensionale codering"-aanpak hen in staat om grotere en complexere toestanden te bouwen met minder middelen. De auteurs suggereren dat het met deze techniek mogelijk zou kunnen zijn om uiteindelijk honderden qubits op een enkele chip te creëren. Ze suggereerden dit niet alleen; ze bouwden daadwerkelijk de circuits, voerden de experimenten uit en maten de resultaten, waarmee ze lieten zien dat de "origami-foton"-strategie een echte, werkende oplossing is voor een van de grootste knelpunten in de quantumcomputing.