Utilizando los recursos experimentales y computacionales existentes, un equipo multiinstitucional ha desarrollado un método efectivo para medir qudits de alta dimensión codificados en peines de frecuencia cuántica, que son un tipo de fuente de fotones, en un solo chip óptico.
El resonador de microanillos, que se muestra aquí como un circuito cerrado, generó pares de fotones de alta dimensión. Los investigadores examinaron estos fotones manipulando las fases de diferentes frecuencias, o colores, de la luz y mezclando frecuencias, como muestran las líneas multicolores entrecruzadas. Crédito: Yun-Yi Pai/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Aunque la palabra «qudit» puede parecer un error tipográfico, este primo menos conocido del qubit, o bit cuántico, puede transportar más información y es más resistente al ruido, las cuales son cualidades clave necesarias para mejorar el rendimiento de redes cuánticas, distribución de clave cuántica sistemas y, finalmente, la tanto como internet.
Los bits de computadora clásicos clasifican los datos como unos o ceros, mientras que los qubits pueden contener valores de uno, cero o ambos, simultáneamente, debido a la superposición, que es un fenómeno que permite que existan múltiples estados cuánticos al mismo tiempo. La «d» en qudit representa la cantidad de niveles o valores diferentes que se pueden codificar en un fotón. Los qubits tradicionales tienen dos niveles, pero agregar más niveles los transforma en qudits.
Desde la izquierda, Hsuan-Hao Lu y Joseph Lukens trabajan en un laboratorio cuántico ORNL. Crédito: Genevieve Martin/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Recientemente, investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad de Purdue y el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana, o EPFL, caracterizaron completamente un par entrelazado de qudits de ocho niveles, que formaron un espacio cuántico de 64 dimensiones, cuadruplicando el registro anterior para modos de frecuencia discretos. Estos resultados fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza.
«Siempre hemos sabido que es posible codificar qudits de 10 o 20 niveles o incluso más usando los colores de los fotones o frecuencias ópticas, pero el problema es que medir estas partículas es muy difícil», dijo Hsuan-Hao Lu, un investigador asociado postdoctoral en ORNL. «Ese es el valor de este documento: encontramos una técnica eficiente y novedosa que es relativamente fácil de hacer en el lado experimental».
Los qudits son aún más difíciles de medir cuando están entrelazados, lo que significa que comparten correlaciones no clásicas independientemente de la distancia física entre ellos. A pesar de estos desafíos, los pares de contenedores de frecuencia (dos qudits en forma de fotones que se enredan en sus frecuencias) son muy adecuados para transportar información cuántica porque pueden seguir un camino prescrito a través de la fibra óptica sin ser modificados significativamente por su entorno.
“Combinamos la producción de bins de frecuencia de última generación con fuentes de luz de última generación, y luego usamos nuestra técnica para caracterizar el enredo de qudit de alta dimensión con un nivel de precisión que no se había mostrado antes. ”, dijo Joseph Lukens, miembro de Wigner y científico investigador de ORNL.
Los investigadores comenzaron sus experimentos haciendo brillar un láser en un resonador de microanillo, un dispositivo circular en un chip fabricado por EPFL y diseñado para generar luz no clásica. Esta poderosa fuente de fotones ocupa 1 milímetro cuadrado de espacio, comparable en tamaño a la punta de un lápiz afilado, y permitió al equipo generar pares de contenedores de frecuencia en forma de peines de frecuencia cuántica.
Por lo general, los experimentos qudit requieren que los investigadores construyan un tipo de circuito cuántico llamado puerta cuántica. Pero en este caso, el equipo usó un modulador de fase electroóptico para mezclar diferentes frecuencias de luz y un modelador de pulsos para modificar la fase de estas frecuencias. Estas técnicas se estudian extensamente en la Laboratorio de Óptica Ultrarrápida y Comunicaciones por Fibra Óptica dirigido por Andrew Weiner en Purdue, donde Lu estudió antes de unirse a ORNL.
Estos dispositivos ópticos son comunes en la industria de las telecomunicaciones y los investigadores realizaron estas operaciones al azar para capturar muchas correlaciones de frecuencia diferentes. Según Lu, este proceso es como lanzar un par de dados de seis caras y registrar cuántas veces aparece cada combinación de números, pero ahora los dados están enredados entre sí.
“Esta técnica, que involucra moduladores de fase y modeladores de pulso, se busca mucho en el contexto clásico para el procesamiento de señales fotónicas ultrarrápidas y de banda ancha y se ha extendido a la avenida cuántica de qudits de frecuencia”, dijo Weiner.
Para trabajar hacia atrás e inferir qué estados cuánticos produjeron correlaciones de frecuencia ideales para aplicaciones qudit, los investigadores desarrollaron una herramienta de análisis de datos basada en un método estadístico llamado inferencia bayesiana y realizaron simulaciones por computadora en ORNL. Este logro se basa en el trabajo anterior del equipo centrado en realizar análisis bayesianos y reconstruir estados cuánticos.
Los investigadores ahora están afinando su método de medición para prepararse para una serie de experimentos. Mediante el envío de señales a través de fibra óptica, su objetivo es probar los protocolos de comunicación cuántica, como la teletransportación, que es un método de transporte de información cuántica, y el intercambio de entrelazamiento, que es el proceso de entrelazamiento de dos partículas previamente no relacionadas.
Karthik Myilswamy, estudiante de posgrado en Purdue, planea llevar el resonador de microanillo a ORNL, lo que permitirá al equipo probar estas capacidades en el laboratorio. red de área local cuántica.
“Ahora que tenemos un método para caracterizar eficientemente los qudits de frecuencia entrelazados, podemos realizar otros experimentos orientados a la aplicación”, dijo Myilswamy.
Fuente: ORNL
