Computación fotónica en una dimensión temporal artificial

Un diseño de computadora cuántica de un solo uso relativamente simple maíz El procesamiento de fotones se puede construir con los componentes disponibles actualmente.

Ahora, los investigadores de la Universidad de Stanford han propuesto un diseño más simple para computadoras cuánticas ópticas que utilizan componentes fácilmente disponibles, según un artículo publicado el 29 de noviembre de 2021 en Visual. Su diseño propuesto utiliza un láser para manipular un solo átomo que, a su vez, puede modular el estado de los fotones a través de un fenómeno llamado «teletransportación cuántica». El átomo se puede restablecer y reutilizar para muchas puertas cuánticas, lo que elimina la necesidad de construir varias puertas físicas distintas, lo que reduce en gran medida la complejidad de construir una computadora cuántica.

“Normalmente, si quisieras construir este tipo de computadora cuántica, tendrías que tomar miles de emisores cuánticos, hacerlos completamente indistinguibles y luego combinarlos en un circuito fotónico gigante”, dijo Ben Bartlett, un estudiante de doctorado. en Física Aplicada y autor principal del artículo. «Si bien con este diseño solo necesitamos unos pocos componentes relativamente simples, la máquina no aumenta de tamaño con el tamaño del programa cuantitativo que desea ejecutar».

Este diseño notablemente simple requiere solo unos pocos equipos: un cable de fibra óptica, un esparcidor de haz, un par de interruptores ópticos y una cavidad óptica.

Una animación de una computadora óptica cuántica propuesta por los investigadores. A la izquierda está el anillo de almacenamiento, que contiene varios fotones anti-dispersión. A la derecha está el módulo de dispersión, que se utiliza para manipular qubits ópticos. Las bolas en la parte superior, llamadas «bolas de Bloch», representan el estado matemático de un átomo y uno de sus fotones. Debido a que el átomo y el fotón están entrelazados, la manipulación del átomo también afecta el estado del fotón. Crédito: Ben Bartlett

Afortunadamente, estos ingredientes ya existen y están disponibles comercialmente. También se mejora constantemente, ya que actualmente se utiliza en aplicaciones distintas de Estadística cuantitativa. Por ejemplo, las empresas de telecomunicaciones llevan años mejorando los cables de fibra óptica y los conmutadores ópticos.

«Lo que estamos proponiendo aquí es aprovechar los esfuerzos y las inversiones que la gente ha hecho para mejorar estos componentes», dijo Shanhui Fan, profesor Joseph and Hon Mae Goodman en la Facultad de Ingeniería y autor principal del artículo. «No se trata específicamente de nuevos componentes de la computación cuántica».

nuevo diseño

El diseño de Scholars consta de dos partes principales: un anillo de almacenamiento y una unidad de dispersión. El anillo de almacenamiento, que funciona de manera similar a la memoria en una computadora normal, es un anillo de fibras ópticas que contiene múltiples fotones que viajan alrededor del anillo. Similar a los bits que almacenan información en una computadora tradicional, en este sistema, cada fotón representa un bit cuántico o «qubit». La dirección en que viaja el fotón alrededor del anillo de almacenamiento determina el valor del qubit, que puede ser como un bit, 0 o 1. Además, debido a que los fotones pueden existir simultáneamente en dos estados a la vez, un solo fotón puede fluir en ambas direcciones a la vez. , que representa un valor que consta de una combinación de 0 y 1 al mismo tiempo.

El estudiante graduado de la Universidad de Stanford Ben Bartlett y el profesor de ingeniería eléctrica Shanhui Fan propusieron un diseño más simple para computadoras cuánticas ópticas utilizando componentes fácilmente disponibles. Crédito: Cortesía de Ben Bartlett / Rod Searcy

Los investigadores pueden manipular el fotón dirigiéndolo desde el anillo de almacenamiento a la unidad de dispersión, donde viaja a una cavidad que contiene un solo átomo. El fotón luego interactúa con el átomo, provocando que los dos se «entrelacen», un fenómeno cuántico en el que dos partículas pueden influirse entre sí incluso a grandes distancias. Luego, el fotón regresa al anillo de almacenamiento y el láser cambia el estado del átomo. Dado que el átomo y el fotón están entrelazados, el procesamiento del átomo también afecta el estado del fotón asociado con él.

«Al medir el estado del átomo, puede transferir los procesos remotos a los fotones», dijo Bartlett. «Así que solo necesitamos un qubit atómico controlable que podamos usar como alternativa a la manipulación indirecta de todos los demás qubits ópticos».

Dado que cualquier puerta de la lógica cuántica se puede agrupar en una serie de operaciones en el átomo, puede, en principio, ejecutar cualquier programa cuántico de cualquier tamaño con un solo qubit atómico controlable. Para ejecutar un programa, el código se traduce en una serie de operaciones que dirigen los fotones a la unidad de dispersión y manipulan los qubits atómicos. Dado que puede controlar la forma en que interactúan el átomo y los fotones, el mismo dispositivo puede ejecutar muchos programas cuánticos diferentes.

«Para muchas computadoras cuánticas ópticas, las puertas son estructuras físicas por las que pasan los fotones, por lo que si desea cambiar el software que se está ejecutando, eso a menudo implica reconfigurar físicamente el hardware», dijo Bartlett. «Mientras que en este caso, no es necesario cambiar el hardware, simplemente dé a la máquina un conjunto diferente de instrucciones».

Referencia: «Computación cuántica fotónica definida en una dimensión de tiempo artificial» por Ben Bartlett, Avek Dutt y Shanhui Fan, 29 de noviembre de 2021, Visual.
DOI: 10.1364 / OPTICA.424258

Avik Dutt, científico postdoctoral de la Universidad de Stanford, también es coautor de este artículo. Fan es profesor de ingeniería eléctrica, miembro de Stanford Bio-X y miembro del Precourt Energy Institute.

Esta investigación fue financiada por el Departamento de Defensa de EE. UU. Y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.