Fotonische berekening in een kunstmatige tijdsdimensie

Een relatief eenvoudig ontwerp van een kwantumcomputer voor eenmalig gebruik maïs De fotonverwerking kan worden gebouwd met de momenteel beschikbare componenten.

Nu hebben Stanford University-onderzoekers een eenvoudiger ontwerp voorgesteld voor optische kwantumcomputers met behulp van gemakkelijk verkrijgbare componenten, volgens een paper gepubliceerd op 29 november 2021 in Visueel. Hun voorgestelde ontwerp gebruikt een laser om een ​​enkel atoom te manipuleren dat op zijn beurt de toestand van fotonen kan moduleren via een fenomeen dat ‘kwantumteleportatie’ wordt genoemd. Het atoom kan worden gereset en hergebruikt voor veel kwantumpoorten, waardoor het niet meer nodig is om meerdere afzonderlijke fysieke poorten te bouwen, waardoor de complexiteit van het bouwen van een kwantumcomputer aanzienlijk wordt verminderd.

“Normaal gesproken, als je zo’n kwantumcomputer zou willen bouwen, zou je duizenden kwantumstralers moeten nemen, ze volledig niet van elkaar te onderscheiden maken en ze vervolgens combineren tot een gigantisch fotonisch circuit”, zegt Ben Bartlett, een promovendus. in Applied Physics en hoofdauteur van het artikel. “Hoewel we met dit ontwerp slechts een paar relatief eenvoudige componenten nodig hebben, wordt de machine niet groter met de omvang van het kwantitatieve programma dat u wilt uitvoeren.”

Dit opmerkelijk eenvoudige ontwerp vereist nogal wat apparatuur: een glasvezelkabel, een bundelsplitser, een paar optische schakelaars en een optische holte.


Een door de onderzoekers voorgestelde animatie van een optische kwantumcomputer. Aan de linkerkant is de opslagring, die verschillende anti-verstrooiingsfotonen bevat. Aan de rechterkant bevindt zich de verstrooiingsmodule, die wordt gebruikt om optische qubits te manipuleren. De ballen bovenaan, “Bloch-ballen” genoemd, geven de wiskundige toestand van een atoom en een van zijn fotonen weer. Omdat het atoom en het foton verstrengeld zijn, beïnvloedt het manipuleren van het atoom ook de toestand van het foton. Krediet: Ben Bartlett

Gelukkig bestaan ​​deze ingrediënten al en zijn ze in de handel verkrijgbaar. Het wordt ook voortdurend verbeterd omdat het momenteel wordt gebruikt in andere toepassingen dan: Kwantitatieve statistieken. Zo verbeteren telecombedrijven al jaren glasvezelkabels en optische schakelaars.

READ  Kan een ruimtevaartuig de interstellaire bezoeker "Oumuamua" in slechts 26 jaar "vangen"?

“Wat we hier voorstellen, is voortbouwen op de inspanningen en investeringen die mensen hebben gedaan om deze componenten te verbeteren”, zegt Shanhui Fan, Joseph en Hon Mae Goodman Professor in het College of Engineering en senior auteur op het papier. “Het zijn niet specifiek nieuwe componenten van kwantumberekening.”

nieuw ontwerp

Het ontwerp van Scholars bestaat uit twee hoofdonderdelen: een opbergring en een verstrooiingseenheid. De opslagring, die op dezelfde manier werkt als het geheugen in een gewone computer, is een ring van optische vezels die meerdere fotonen bevat die rond de ring reizen. Net als bij de bits die informatie opslaan in een traditionele computer, vertegenwoordigt in dit systeem elk foton een kwantumbit of “qubit”. De richting waarin het foton rond de opslagring reist, bepaalt de qubit-waarde, die kan zijn als een bit, 0 of 1. Bovendien, omdat fotonen tegelijkertijd in twee toestanden tegelijk kunnen bestaan, kan een enkel foton in beide richtingen tegelijk stromen. , die een waarde vertegenwoordigt die tegelijkertijd uit een combinatie van 0 en 1 bestaat.

Bartlett en Shanhui Fan

Ben Bartlett, afgestudeerd student aan de Stanford University en professor elektrotechniek Shanhui Fan, stelden een eenvoudiger ontwerp voor optische kwantumcomputers voor met behulp van gemakkelijk verkrijgbare componenten. Krediet: met dank aan Ben Bartlett/Rod Searcy

De onderzoekers kunnen het foton manipuleren door het van de opslagring naar de verstrooiingseenheid te sturen, waar het in een holte reist die een enkel atoom bevat. Het foton interageert vervolgens met het atoom, waardoor de twee “verstrengelen”, een kwantumfenomeen waarin twee deeltjes elkaar zelfs over grote afstanden kunnen beïnvloeden. Dan keert het foton terug naar de opslagring en verandert de laser de toestand van het atoom. Omdat het atoom en het foton verstrengeld zijn, beïnvloedt de verwerking van het atoom ook de toestand van het ermee verbonden foton.

READ  Astronomen hebben een 900 jaar oud kosmisch mysterie rond de Chinese supernova van 1181 n.Chr. opgelost

“Door de toestand van het atoom te meten, kun je de externe processen overbrengen naar de fotonen”, zei Bartlett. “Dus we hebben maar één controleerbare atoomqubit nodig die we kunnen gebruiken als alternatief voor het indirect manipuleren van alle andere optische qubits.”

Omdat elke kwantumlogica-poort kan worden gegroepeerd in een reeks bewerkingen op het atoom, kun je in principe elk kwantumprogramma van elke grootte uitvoeren met een enkele bestuurbare atomaire qubit. Om een ​​programma uit te voeren, wordt de code vertaald in een reeks bewerkingen die de fotonen naar de verstrooiingseenheid leiden en de atomaire qubits manipuleren. Omdat je de interactie van het atoom en de fotonen kunt bepalen, kan hetzelfde apparaat veel verschillende kwantumprogramma’s uitvoeren.

“Voor veel optische kwantumcomputers zijn poorten fysieke structuren waar fotonen doorheen gaan, dus als je de lopende software wilt veranderen, moet je de hardware fysiek opnieuw configureren,” zei Bartlett. “Terwijl je in dit geval de hardware niet hoeft te veranderen, geef je de machine gewoon een andere set instructies.”

Referentie: “Fotonische kwantumberekening gedefinieerd in een kunstmatige tijdsdimensie” door Ben Bartlett, Avek Dutt en Shanhui Fan, 29 nov 2021, Visueel.
DOI: 10.1364 / OPTICA.424258

Avik Dutt, een postdoctoraal wetenschapper aan de Stanford University, is ook co-auteur van dit artikel. Fan is hoogleraar elektrotechniek, lid van Stanford Bio-X en lid van het Precourt Energy Institute.

Dit onderzoek werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Defensie en het Amerikaanse luchtmachtbureau voor wetenschappelijk onderzoek.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *