Skinnende rubidiumatom i et optisk hulrum. (Max Planck Institute of Quantum Optics) En ny metode til at sammenflette skæbnen for fragmenter af lys har overvundet nogle alvorlige forhindringer på vejen til foton-baseret kvanteberegning .
Forskere fra Max Planck Institute of Quantum Optics i Tyskland har med succes viklet 14 fotoner ind i en tilstand, der anses for optimal for qubits, mere end en fordobling af tidligere forsøg – samtidig med at de forbedrer deres effektivitet.
I modsætning til 'bits' af binær kode bag mere konventionelle former for computerteknologi, qubits eksisterer i en tilstand af sandsynlighed kaldet en superposition, der opfører sig som en vendt mønt, når den vælter gennem luften.
Algoritmer baseret på den måde, grupper af kvantemønter falder på, kan gøre kort med noget ret kompleks matematik, men kun hvis deres kollektive spinding ikke uforvarende bliver blæst ud af kurs af miljøet.
Benævnt dekohærens, dette afbrydelse af en partikels superposition er en stor forhindring for ingeniører, der designer nyttigtkvantecomputere.
I teorien kan næsten alt eksistere i en kvantesuperposition af tilstande, fra elektroner til atomer til hele molekyler (eller større). Men for at begrænse sammenhængen tager mindre og enklere genstande kagen.
Fotoner udgør ideelle qubits. Desværre praktisk kvantecomputere har brug for mange qubits. Tusinder . Millioner endda. Jo flere jo bedre. Ikke nok med at de alle skal snurre i superposition på én gang, deres skæbner skal deles. Eller, for at bruge fysikudtrykket, indviklet.
Det er her udfordringen kommer ind.
Der er relativt nemme måder at sammenfiltre par af fotoner . Tving et atom til at udsende en bølge af lys og del det derefter ved hjælp af en speciel skærm, og du får to fotoner med en delt historie.
Mens de forbliver i flugt med deres respektive egenskaber, der endnu ikke er målt, fungerer de mere eller mindre som den spindende mønt. Til sidst vil den ene komme op med hoveder, og den anden haler.
At sammenfiltre mere end to fotoner bliver mere af en udfordring.
Eksperimenter med objekter kaldet kvanteprikker har formået at sammenfiltre kæder af tre til fire fotoner. Ikke alene er det usandsynligt, at det nogensinde vil producere de hundreder og tusinder, der er nødvendige for enlige så meget som en computer, tilstanden af sammenfiltring at bruge denne tilgang er ikke så pålidelig, som ingeniører måske ønsker.
Nyere undersøgelser, der bruger atomer med store elektronorbitaler, kaldet Rydberg-atomer , har produceret op til seks sammenfiltrede fotoner, alle i en effektivt sammenfiltret form. Selvom metoden kunne give superhurtige computerkomponenter, er den heller ikke en let skalerbar mulighed.
Denne nyeste løsning kunne i teorien producere et hvilket som helst antal sammenfiltrede fotoner, alle i den ideelle tilstand.
'Tricket til dette eksperiment var, at vi brugte et enkelt atom til at udsende fotonerne og flette dem sammen på en meget specifik måde,' siger fysikdoktorand og hovedforfatter Philip Thomas.
Et atom af rubidium blev kildet ind i udsendende lysbølger, som blev kanaliseret ind i et hulrum formet til at reflektere dem frem og tilbage på en meget præcis måde.
Ved perfekt at finjustere den måde, hvorpå rubidium glødede, kunne hver foton blive viklet ind i hele atomets tilstand - hvilket betyder, at hver foton, der hopper frem og tilbage i hulrummet, også var viklet ind i et betydeligt antal af sine søskende.
'Fordi kæden af fotoner opstod fra et enkelt atom, kunne den produceres på en deterministisk måde' siger Thomas.
I dette tilfælde lykkedes det holdet at vikle 12 fotoner ind i en mindre effektiv lineær klynge og 14 i den prisbelønnede Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) tilstand.
'Så vidt vi ved, er de 14 indbyrdes forbundne lyspartikler det største antal sammenfiltrede fotoner, der hidtil er blevet genereret i laboratoriet,' siger Thomas.
Ikke alene var de i stand til at sammenfiltre så mange fotoner, effektiviteten af denne metode blev forbedret i forhold til tidligere processer, hvor næsten en ud af hver to fotoner leverede pænt sammenfiltrede qubits.
Fremtidige opsætninger bliver nødt til at introducere et andet atom for at give de qubits, der er nødvendige for mange kvanteberegningsoperationer. At have sammenfiltrede fotoner på tryk kunne danne grundlaget for teknologi ud over computer, besættelse en central rolle i kvantekrypteret kommunikation .
Denne forskning blev offentliggjort i Natur .