Neue Messungen geben einen Einblick in die Quantenzukunft

Mikroringresonator

Der Mikroringresonator, hier als geschlossener Regelkreis dargestellt, erzeugte hochdimensionale Photonenpaare. Die Forscher untersuchten diese Photonen, indem sie die Phasen verschiedener Frequenzen oder Farben des Lichts manipulierten und Frequenzen mischten, wie durch die kreuz und quer verlaufenden mehrfarbigen Linien dargestellt. Bildnachweis: Yun-Yi Pai/ORNL, US-Energieministerium

Ein multiinstitutionelles Team hat eine effiziente Methode zur Messung hochdimensionaler Qudits entwickelt, die in Quantenfrequenzkämmen, einer Art Photonenquelle, auf einem einzigen optischen Chip unter Verwendung bereits verfügbarer experimenteller und rechnerischer Ressourcen codiert sind.

Trotz der Tatsache, dass das Wort „Qudit“ wie ein Tippfehler erscheinen mag, hat dieser weniger bekannte Verwandte des Qubits oder Quantenbits die Fähigkeit, mehr Daten zu übertragen und ist rauschresistenter, zwei entscheidende Eigenschaften, die für eine Verbesserung erforderlich sind die Leistung von Quantennetzwerken, Quantenschlüsselverteilungssystemen und schließlich dem Quanteninternet.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Computerbits, die Daten als Einsen oder Nullen klassifizieren, können Qubits die Werte Eins, Null oder beides enthalten. Dies liegt an der Überlagerung, einem Phänomen, das die gleichzeitige Existenz mehrerer Quantenzustände ermöglicht. Qudits „d“ bezieht sich auf die Vielzahl von Ebenen oder Werten, die auf einem Photon kodiert sein können. Herkömmliche Qubits haben nur zwei Ebenen, aber durch das Hinzufügen weiterer Ebenen werden sie zu Qudits.

Hsuan Hao Lu und Joseph Lukens

Von links: Hsuan-Hao Lu und Joseph Lukens arbeiten in einem ORNL-Quantenlabor. Bildnachweis: Genevieve Martin/ORNL, US-Energieministerium

Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne oder EPFL, der Purdue University und des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben kürzlich die Charakterisierung eines verschränkten Paares von achtstufigen Qudits abgeschlossen, die einen 64-dimensionalen Quantenraum bildeten und die vorheriger Rekord für diskrete Frequenzmoden. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

„Wir haben immer gewusst, dass es möglich ist, 10- oder 20-stufige Qudits oder sogar noch höher zu codieren, indem die Farben von Photonen oder optischen Frequenzen verwendet werden, aber das Problem ist, dass die Messung dieser Partikel sehr schwierig ist“, sagte Hsuan-Hao Lu. Postdoktorand am ORNL. „Das ist der Wert dieses Papiers – wir haben eine effiziente und neuartige Technik gefunden, die experimentell relativ einfach durchzuführen ist.“

Qudits sind noch schwieriger zu messen, wenn sie verschränkt sind, was bedeutet, dass sie unabhängig von der physischen Entfernung zwischen ihnen nichtklassische Korrelationen teilen. Trotz dieser Herausforderungen sind Frequenz-Bin-Paare – zwei Qudits in Form von Photonen, die in ihren Frequenzen verschränkt sind – gut geeignet, Quanteninformationen zu transportieren, da sie einem vorgeschriebenen Weg durch Glasfaser folgen können, ohne durch ihre Umgebung wesentlich verändert zu werden.

„Wir haben hochmoderne Frequenz-Bin-Produktion mit hochmodernen Lichtquellen kombiniert und dann unsere Technik verwendet, um hochdimensionale Qudit-Verschränkung mit einer Präzision zu charakterisieren, die zuvor nicht gezeigt wurde. “, sagte Joseph Lukens, ein Wigner Fellow und Forschungswissenschaftler am ORNL.

Die Forscher begannen ihre Experimente, indem sie einen Laser in einen Mikroringresonator richteten – ein kreisförmiges On-Chip-Gerät, das von der EPFL hergestellt und entwickelt wurde, um nichtklassisches Licht zu erzeugen. Diese leistungsstarke Photonenquelle nimmt 1 Quadratmillimeter Platz ein – vergleichbar mit der Spitze eines angespitzten Bleistifts – und ermöglichte es dem Team, Frequenz-Bin-Paare in Form von Quantenfrequenzkämmen zu erzeugen.

Typischerweise erfordern Qudit-Experimente, dass Forscher eine Art Quantenschaltung bauen, die als Quantengatter bezeichnet wird. Aber in diesem Fall verwendete das Team einen elektrooptischen Phasenmodulator, um verschiedene Lichtfrequenzen zu mischen, und einen Impulsformer, um die Phase dieser Frequenzen zu modifizieren. Diese Techniken werden ausgiebig im Ultrafast Optics and Optical Fiber Communications Laboratory unter der Leitung von Andrew Weiner in Purdue untersucht, wo Lu studierte, bevor er zum ORNL kam.

Diese optischen Geräte sind in der Telekommunikationsbranche alltäglich, und die Forscher führten diese Operationen nach dem Zufallsprinzip durch, um viele verschiedene Frequenzkorrelationen zu erfassen. Laut Lu ist dieser Vorgang wie das Rollen eines sechsseitigen Würfels und das Aufzeichnen, wie oft jede Zahlenkombination erscheint – aber jetzt sind die Würfel miteinander verwickelt.

„Diese Technik, die Phasenmodulatoren und Impulsformer umfasst, wird im klassischen Kontext für die ultraschnelle und breitbandige photonische Signalverarbeitung stark verfolgt und auf den Quantenweg der Frequenz-Qudits ausgedehnt“, sagte Weiner.

Um rückwärts zu arbeiten und abzuleiten, welche Quantenzustände Frequenzkorrelationen erzeugten, die ideal für Qudit-Anwendungen waren, entwickelten die Forscher ein Datenanalysetool, das auf einer statistischen Methode namens Bayes’sche Inferenz basiert, und führten Computersimulationen am ORNL durch. Diese Errungenschaft baut auf der früheren Arbeit des Teams auf, die sich auf die Durchführung von Bayes’schen Analysen und die Rekonstruktion von Quantenzuständen konzentrierte.

Zur Vorbereitung einer Versuchsreihe verfeinern die Forscher nun ihre Messmethode. Durch das Senden von Signalen über Glasfasern zielen sie darauf ab, Quantenkommunikationsprotokolle wie Teleportation, eine Methode zum Transport von Quanteninformationen, und Verschränkungstausch, bei dem zwei zuvor nicht verwandte Teilchen miteinander verschränkt werden, zu testen.

Karthik Myilswamy, ein Doktorand an der Purdue, plant, den Mikroringresonator zum ORNL zu bringen, was es dem Team ermöglichen wird, diese Fähigkeiten im lokalen Quantennetzwerk des Labors zu testen.

„Jetzt, da wir eine Methode haben, um verschränkte Frequenz-Qudits effizient zu charakterisieren, können wir andere anwendungsorientierte Experimente durchführen“, sagte Myilswamy.

Referenz: „Bayesian Tomography of High-dimensional On-Chip Biphoton Frequency Combs with Randomized Measurements“ von Hsuan-Hao Lu, Karthik V. Myilswamy, Ryan S. Bennink, Suparna Seshadri, Mohammed S. Alshaykh, Junqiu Liu, Tobias J. Kippenberg , Daniel E. Leaird, Andrew M. Weiner und Joseph M. Lukens, 27. Juli 2022, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-022-31639-z

Die Studie wurde vom US-Energieministerium, der National Science Foundation, dem Air Force Office of Scientific Research und dem Schweizerischen Nationalfonds finanziert.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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