Tyrėjai žengė svarbų žingsnį kurdami daugiamates kvantinio skaičiavimo sistemas. Klasikiniai kompiuteriai operuoja tik reikšmėmis „0“ ir „1“, o mokslininkai ieško būdų, kaip kvantiniuose kompiuteriuose vienu metu panaudoti daugiau būsenų. Naujausi darbai rodo galimybę vienu metu valdyti keturias būsenas.
Bendra Vienos technikos universiteto (TU Wien) ir Kinijos mokslininkų komanda pademonstravo naujo tipo kvantinį skaičiavimą. Tyrėjams pavyko realizuoti kvantinius loginius vartus, leidžiančius atlikti skaičiavimus su fotonų poromis, kai kiekvienas fotonas gali būti keturiose skirtingose kvantinėse būsenose. Tai laikoma reikšmingu etapu optinių kvantinių kompiuterių raidoje ir atveria naujų galimybių tolesnei technologijos plėtrai.
Kvantinio skaičiavimo eksperimentai su fotonais
„Fotonus naudojame iš esmės kitu būdu“, – aiškina Nicolai Friis iš TU Wien Atominės ir subatominės fizikos instituto.
„Mūsų nedomina poliarizacija – mums svarbi erdvinė fotono bangos forma, kuri gali egzistuoti labai daugelyje skirtingų būsenų, atitinkančių skirtingas orbitinio kampinio impulso reikšmes“, – pabrėžia mokslininkas.
Komanda sukūrė metodą, leidžiantį dirbti su dviem tokiais fotonais: abu gali būti savavališkose skirtingų bangos formų superpozicijose. Kruopščiai manipuliuojant jų parametrais, du iš pradžių tarpusavyje nepriklausomi fotonai gali būti suvesti į bendrą būseną – vadinamąją supintąją (entangled). Tuo pačiu principu naujieji kvantiniai loginiai vartai gali būti naudojami ir atvirkščiam veiksmui: du supinti fotonai gali būti valdomai „atsupinami“, kad jų būsenos vėl taptų nepriklausomos viena nuo kitos.
Iki šiol dauguma kvantinio skaičiavimo eksperimentų su fotonais rėmėsi fotonų poliarizacija – savybe, turinčia dvi galimas matavimo baigtis. Kvantinės fizikos požiūriu fotonas gali būti šių dviejų galimybių superpozicijoje.
Pasak tyrėjų, vienas didžiausių iššūkių, trukdančių įgyvendinti kvantinius loginius vartus tarp dviejų atskirų fotonų, yra ribota jų tiesioginė sąveika linijinėse terpėse.
Šią problemą mokslininkai sprendė pasiūlydami protokolą, leidžiantį realizuoti supinančiuosius vartus – valdomuosius fazės apvertimo (controlled phase-flip) vartus – dviem fotoniniams kvaditams bet kokioje dimensijoje.
Fotoniniai kvaditai
Mokslinis darbas, publikuotas žurnale „Nature Photonics“, eksperimentiškai parodė šio protokolo įgyvendinimą, realizuojant keturių matmenų kvaditų valdomuosius fazės apvertimo vartus. Tyrėjai pažymi, kad jeigu tokius daugiamates struktūras tektų skaidyti į įprastus dvimačius kvantinius procesus, prireiktų mažiausiai 13 dviejų kubitų supinančiųjų vartų.
Tyrime teigiama, kad fotoniniai kvaditai buvo užkoduoti orbitiniame kampiniame impulse, o komanda sukūrė naują, aktyvią ir itin tikslią fazės užrakinimo technologiją. Ji leido sukonstruoti daugiamatį orbitinio kampinio impulso pluošto skirstytuvą, didinantį valdomųjų fazės apvertimo vartų stabilumą. Dėl to pasiektas proceso ištikimumas pateko į intervalą [0,71 ± 0,01; 0,85 ± 0,01].
Mokslininkų vertinimu, šis pasiekimas yra svarbus žingsnis kuriant aukštos dimensijos optinį kvantinį informacijos apdorojimą. Be to, technologija gali turėti potencialo pritaikymų ir už optinių sistemų ribų.
