Ein relativ einfaches Quantencomputerdesign, das ein einzelnes Atom Photonen zu manipulieren, könnte mit derzeit verfügbaren Komponenten konstruiert werden.
Nun haben Forscher der Stanford University ein einfacheres Design für photonische Quantencomputer vorgeschlagen, das leicht verfügbare Komponenten verwendet, so ein am 29 Optik. Ihr vorgeschlagenes Design verwendet einen Laser, um ein einzelnes Atom zu manipulieren, das wiederum den Zustand der Photonen über ein Phänomen namens „Quantenteleportation“ verändern kann. Das Atom kann zurückgesetzt und für viele Quantengatter wiederverwendet werden, wodurch die Notwendigkeit entfällt, mehrere unterschiedliche physikalische Gatter zu bauen, was die Komplexität des Baus eines Quantencomputers erheblich reduziert.
„Normalerweise müsste man, wenn man diese Art von Quantencomputer bauen wollte, potenziell Tausende von Quantenemittern nehmen, sie alle vollkommen ununterscheidbar machen und sie dann in einen riesigen photonischen Schaltkreis integrieren“, sagt Ben Bartlett, ein Doktorand in angewandter Physik und Hauptautor der Arbeit. „Bei diesem Design benötigen wir jedoch nur eine Handvoll relativ einfacher Komponenten und die Größe der Maschine wächst nicht mit der Größe des Quantenprogramms, das Sie ausführen möchten.“
Dieses bemerkenswert einfache Design erfordert nur wenige Geräte: ein Glasfaserkabel, einen Strahlteiler, ein Paar optischer Schalter und einen optischen Hohlraum.
Eine Animation des von den Forschern vorgeschlagenen photonischen Quantencomputers. Auf der linken Seite befindet sich der Speicherring, der mehrere gegenläufige Photonen enthält. Rechts die Streueinheit, mit der die photonischen Qubits manipuliert werden. Die oberen Kugeln, „Bloch-Kugeln“ genannt, stellen den mathematischen Zustand des Atoms und eines der Photonen dar. Da Atom und Photon verschränkt sind, beeinflusst die Manipulation des Atoms auch den Zustand des Photons. Bildnachweis: Ben Bartlett
Glücklicherweise gibt es diese Komponenten bereits und sind sogar im Handel erhältlich. Sie werden auch ständig verfeinert, da sie derzeit in anderen Anwendungen verwendet werden als Quanten-Computing. Beispielsweise arbeiten Telekommunikationsunternehmen seit Jahren an der Verbesserung von Glasfaserkabeln und optischen Schaltern.
„Was wir hier vorschlagen, baut auf den Bemühungen und den Investitionen auf, die die Leute in die Verbesserung dieser Komponenten investiert haben“, sagte Shanhui Fan, Joseph und Hon Mai Goodman Professor der School of Engineering und leitender Autor des Papiers. „Sie sind keine neuen Komponenten speziell für die Quantenberechnung.“
Ein neuartiges Design
Das Design der Wissenschaftler besteht aus zwei Hauptteilen: einem Speicherring und einer Streueinheit. Der Speicherring, der ähnlich wie der Speicher in einem normalen Computer funktioniert, ist eine faseroptische Schleife, die mehrere Photonen enthält, die durch den Ring wandern. Analog zu Bits, die Informationen in einem klassischen Computer speichern, repräsentiert in diesem System jedes Photon ein Quantenbit oder „Qubit“. Die Bewegungsrichtung des Photons um den Speicherring bestimmt den Wert des Qubits, das wie ein Bit 0 oder 1 sein kann. Da Photonen gleichzeitig in zwei Zuständen gleichzeitig existieren können, kann ein einzelnes Photon gleichzeitig in beide Richtungen fließen , der einen Wert darstellt, der gleichzeitig eine Kombination von 0 und 1 ist.
Der Stanford-Student Ben Bartlett und Shanhui Fan, Professor für Elektrotechnik, haben ein einfacheres Design für photonische Quantencomputer vorgeschlagen, das leicht verfügbare Komponenten verwendet. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Ben Bartlett / Rod Searcey
Die Forscher können ein Photon manipulieren, indem sie es vom Speicherring in die Streueinheit lenken, wo es zu einem Hohlraum mit einem einzelnen Atom wandert. Das Photon wechselwirkt dann mit dem Atom, wodurch die beiden „verschränkt“ werden, ein Quantenphänomen, bei dem sich zwei Teilchen auch über große Entfernungen gegenseitig beeinflussen können. Dann kehrt das Photon zum Speicherring zurück und ein Laser verändert den Zustand des Atoms. Da Atom und Photon verschränkt sind, beeinflusst die Manipulation des Atoms auch den Zustand seines gepaarten Photons.
„Indem man den Zustand des Atoms misst, kann man Operationen auf die Photonen teleportieren“, sagte Bartlett. „Wir brauchen also nur das eine steuerbare Atom-Qubit und können es als Proxy verwenden, um indirekt alle anderen photonischen Qubits zu manipulieren.“
Da jedes Quantenlogikgatter in eine Abfolge von Operationen kompiliert werden kann, die am Atom ausgeführt werden, können Sie im Prinzip jedes Quantenprogramm beliebiger Größe mit nur einem steuerbaren Atom-Qubit ausführen. Um ein Programm auszuführen, wird der Code in eine Folge von Operationen übersetzt, die die Photonen in die Streueinheit lenken und das atomare Qubit manipulieren. Da Sie die Interaktion von Atom und Photonen steuern können, können auf demselben Gerät viele verschiedene Quantenprogramme ausgeführt werden.
„Bei vielen photonischen Quantencomputern sind die Gates physikalische Strukturen, die Photonen passieren. Wenn Sie also das laufende Programm ändern möchten, müssen Sie oft die Hardware physisch neu konfigurieren“, sagte Bartlett. „In diesem Fall müssen Sie jedoch nicht die Hardware wechseln, sondern der Maschine nur andere Anweisungen geben.“
Referenz: „Deterministic photonicquantum computing in a synthetische time dimension“ von Ben Bartlett, Avik Dutt und Shanhui Fan, 29. November 2021, Optik.
DOI: 10.1364/OPTICA.424258
Der Stanford-Postdoktorand Avik Dutt ist auch Co-Autor dieser Arbeit. Fan ist Professor für Elektrotechnik, Mitglied von Stanford Bio-X und Mitglied des Precourt Institute for Energy.
Diese Forschung wurde vom US-Verteidigungsministerium und dem US Air Force Office of Scientific Research finanziert.