量子信息处理比现在的超级计算机能够实现的速度更快,更安全,但由于其构建模块,量子比特,众所周知不稳定,因此尚不存在。

普渡大学的研究人员是最早建立一个门的人之一 - 这可能是晶体管的量子版本,在今天的计算机中用于处理信息 - 使用qudits。量子比特只能存在于0和1状态的叠加中,而qudits存在于多个状态,例如0和1和2.更多状态意味着可以编码和处理更多数据。

门不仅比量子比特门本身更有效,而且更稳定,因为研究人员将qudits打包成光子,光线不容易被环境干扰。研究人员的研究结果出现在npj量子信息中。

门也创造了迄今为止最大的量子粒子纠缠态之一 - 在这种情况下,光子。纠缠是一种量子现象,它允许对一个粒子的测量自动影响另一个粒子的测量,从而使各方之间的通信不可破坏或将量子信息从一个点传送到另一个点。

在所谓的希尔伯特空间中更多的纠缠 - 量子信息处理可以发生的领域 - 越多越好。

先前的光子方法能够在希尔伯特空间中以六个纠缠光子的形式达到18个量子比特。普渡大学的研究人员利用四个qudits(相当于20个量子比特)在一个门上最大化纠缠,只用两个光子编码。

在量子通信中,少即是多。普渡大学电子与计算机工程学院的博士后研究员Poolad Imany表示,“光子在量子意义上是昂贵的,因为它们难以产生和控制,所以最好将尽可能多的信息打包到每个光子中”。

通过在时域中编码一个qudit而在另一个光子中编码一个qudit,团队通过编码更少的光子实现了更多的纠缠。他们使用每个光子中编码的两个qudits构建了一个门,在32个维度或时间和频率的可能性中总共有四个qudits。尺寸越大,纠缠越多。

从耦合在频域中的两个光子开始,然后操作栅极以纠缠每个光子的时域和频域,产生四个完全纠缠的qudits,其占据Hbebert空间1,048,576维,或32到四次幂。

通常,在光子平台上构建的用于操纵在单独光子中编码的量子信息的栅极仅在某些时间起作用,因为光子自然不能很好地相互作用,使得基于光子的状态操纵一个光子的状态非常困难。另一个。通过在光子的时域和频域中编码量子信息,普渡大学的研究人员使得量子门的确定性与概率相反。

该团队使用光学通信行业每天使用的一套标准现成设备实施了大门。

“这个门允许我们以可预测和确定的方式操纵信息,这意味着它可以执行某些量子信息处理任务所需的操作,”Purdue的Scifres家庭电气和计算机工程杰出教授Andrew Weiner说,他的实验室专门研究在超快光学中。

接下来,该团队希望在量子通信任务中使用门,例如高维量子隐形传态,以及在量子机器学习或模拟分子等应用中执行量子算法。