Generation of entanglement statistics with a large-scale integrated photonic-electronic circuit
Dit artikel demonstreert een schaalbare optoelektronische benadering voor kwantuminformatieverwerking door een 32-kanaals geïntegreerd fotonisch-elektronisch circuit te gebruiken om analoge fotostromen in het radiofrequentiedomein te mengen, waarbij succesvol verstrengeling is gegenereerd met een partiële transpositie-eigenwaarde van 0,99270, wat de weg vrijmaakt voor hybride fotonische-elektronische kwantumcomputers.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Kwantuminformatiewetenschap streeft ernaar de vreemde regels van de subatomaire wereld te benutten om gegevens te verwerken op manieren die onmogelijk zijn voor klassieke computers. Een belangrijke aanpak houdt in dat informatie niet wordt gecodeerd in afzonderlijke deeltjes zoals enkelvoudige fotonen, maar in de continue, golfachtige eigenschappen van licht, zoals de sterkte en de timing van de oscillaties. Om een machine te bouwen die in staat is tot complexe berekeningen met deze golven, moeten wetenschappers in staat zijn om veel verschillende lichtsignalen tegelijkertijd te mengen en te transformeren. Historisch gezien vereiste dit ingewikkelde netwerken van spiegels, straalsplitsers en andere optische componenten. Echter, elke keer dat licht van een oppervlak weerkaatst of door een lens gaat, gaat er een klein beetje van verloren. In de delicate wereld van quantumcomputing kan zelfs dit kleine verlies de fragiele verbindingen, of verstrengeling, die het systeem bij elkaar houden, vernietigen. De uitdaging is geweest om deze systemen op te schalen om veel signalen te verwerken zonder de onvermijdelijke degradatie die door de fysieke hardware zelf wordt veroorzaakt.
Onderzoekers aan het California Institute of Technology hebben een nieuwe manier aangetoond om dit probleem aan te pakken door het mengproces te verplaatsen van het domein van het licht naar het domein van de elektronica. In plaats van te proberen het licht door een complex doolhof van optische componenten te leiden om de gewenste verbindingen te creëren, heeft het team het licht eerst omgezet in elektrische signalen en vervolgens de menging elektronisch uitgevoerd. Ze gebruikten een grote, geïntegreerde chip met een dertig-twee kanalen, elk uitgerust met een sensor die binnenkomend licht omzet in een elektrische stroom. Deze chip werd verlicht met een speciaal type licht dat bekend staat als 'squeezed vacuum', wat een verminderde ruis heeft in één eigenschap en een cruciale hulpbron is voor quantumcomputing. Zodra het licht de sensoren raakte, werden de resulterende elektrische stromen gecombineerd en verwerkt door een radiofrequentienetwerk dat direct op de chip was gebouwd. Dit elektronische netwerk voerde dezelfde wiskundige transformaties uit die een complex optisch circuit zou hebben gedaan, maar zonder dat het licht ooit door de verlieslatende componenten hoefde te reizen die het signaal normaal gesproken zouden degraderen.
Het experiment richtte zich op het creëren van een specifiek type quantumverbinding tussen twee modi van licht, een structuur die bekend staat als een twee-modus clusterstaat. In een traditionele opstelling zou het bereiken hiervan een precieze rangschikking van optische elementen vereisen waar het licht doorheen moet passeren voordat het gemeten wordt. In deze nieuwe aanpak werd het licht eerst gedetecteerd, en de menging vond daarna plaats in het elektronische domein. De onderzoekers reconstrueerden de statistische eigenschappen van het licht op het punt waar het de chip binnenkwam, waardoor ze het optische netwerk effectief simuleerden via elektronische verwerking. Ze ontdekten dat de resulterende staat fysiek geldig was en, cruciaal, verstrengeling vertoonde. Door de gegevens te analyseren, berekenden ze een specifieke waarde die bepaalt of twee quantumsystemen met elkaar verbonden zijn. Het resultaat was 0,99270, een getal dat duidelijk onder de drempel ligt die vereist is om de systemen als gescheiden te beschouwen. Dit bevestigt dat de verstrengeling bestond in het licht voordat het werd gedetecteerd, wat bewijst dat de elektronische verwerking de quantumverbinding succesvol heeft behouden zonder de noodzaak om het licht direct te manipuleren.
Deze methode biedt een aanzienlijk voordeel omdat de elektronische componenten die worden gebruikt om de signalen te mengen, niet dezelfde soort verlies introduceren als optische componenten. In een standaard optisch netwerk zorgt het toevoegen van meer lagen spiegels en splitters om meer signalen te verwerken voor meer verlies, wat het systeem uiteindelijk onbruikbaar maakt. Hier vindt de menging plaats nadat het licht is omgezet in elektriciteit, waardoor de diepte van het elektronische circuit de oorspronkelijke quantumstaat niet verzwakt. Het enige verlies dat optreedt, is de initiële conversie van licht naar elektriciteit, die de onderzoekers als extreem efficiënt hebben gemeten. De studie toont aan dat door de transformatietaak naar de elektronica te verplaatsen, de schaal van het systeem kan groeien volgens de mogelijkheden van geïntegreerde elektronische circuits, in plaats van beperkt te worden door de complexiteit van optische netwerken.
De bevindingen suggereren een pad naar het bouwen van grotere, robuustere quantumprocessors. De onderzoekers hebben aangetoond dat een dertig-twee-kanaals array gebruikt kan worden om quantuminformatie uit te lezen en te verwerken, waarbij acht kanalen actief waren in deze specifieke test. De elektronische verwerking was programmeerbaar, wat betekent dat dezelfde hardware geconfigureerd kon worden om verschillende transformaties uit te voeren door simpelweg de elektrische instellingen te wijzigen, zonder dat optische componenten fysiek herrangschikt hoefden te worden. Hoewel het huidige experiment kamertemperatuur-elektronika gebruikte, merken de auteurs op dat deze architectuur kan worden aangepast voor gebruik met supergeleidende circuits bij extreem lage temperaturen. In een dergelijke opstelling zou het systeem potentieel quantumstaten kunnen overdragen tussen optisch licht en microgolfsignalen, waardoor de kloof tussen verschillende soorten quantumhardware wordt overbrugd. Het werk beweert niet alle problemen van quantumcomputing te hebben opgelost, maar het biedt een concrete demonstratie dat het verplaatsen van de menglaag van optica naar elektronica een levensvatbare strategie is voor het behoud van quantuminformatie en het opschalen van deze systemen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.