Usando recursos experimentais e computacionais existentes, uma equipe multi-institucional desenvolveu um método eficaz para medir qudits de alta dimensão codificados em pentes de frequência quântica, que são um tipo de fonte de fótons, em um único chip óptico.
Embora a palavra “qudit” possa parecer um erro de digitação, esse primo menos conhecido do qubit, ou bit quântico, pode transportar mais informações e é mais resistente ao ruído – ambas as qualidades essenciais necessárias para melhorar o desempenho das redes quânticas , sistemas de distribuição de chaves quânticas e, eventualmente, a internet quântica.
Os bits de computador clássicos categorizam os dados como uns ou zeros, enquanto os qubits podem conter valores de um, zero ou ambos – simultaneamente – devido à superposição, que é um fenômeno que permite que vários estados quânticos existam ao mesmo tempo. O “d” em qudit representa o número de diferentes níveis ou valores que podem ser codificados em um fóton. Os qubits tradicionais têm dois níveis, mas adicionar mais níveis os transforma em qudits.
Recentemente, pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA, da Universidade de Purdue e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne, ou EPFL, caracterizaram completamente um par emaranhado de qudits de oito níveis, que formavam um espaço quântico de 64 dimensões – quadruplicando o registro anterior para modos de freqüência discreta. Estes resultados foram publicados na Nature Communications.
“Sempre soubemos que é possível codificar qudits de 10 ou 20 níveis ou até mais usando as cores dos fótons, ou frequências ópticas, mas o problema é que medir essas partículas é muito difícil”, disse Hsuan-Hao Lu, pesquisador associado de pós-doutorado no ORNL. “Esse é o valor deste artigo – encontramos uma técnica eficiente e inovadora que é relativamente fácil de fazer no lado experimental.”
Os qudits são ainda mais difíceis de medir quando estão emaranhados, o que significa que compartilham correlações não clássicas, independentemente da distância física entre eles. Apesar desses desafios, os pares de bin de frequência – dois qudits na forma de fótons que estão emaranhados em suas frequências – são adequados para transportar informações quânticas porque podem seguir um caminho prescrito através da fibra óptica sem serem significativamente modificados pelo ambiente.
“Combinamos a produção de caixa de frequência de última geração com fontes de luz de última geração e, em seguida, usamos nossa técnica para caracterizar o emaranhamento de qudit de alta dimensão com um nível de precisão que não foi mostrado antes,” disse Joseph Lukens, Wigner Fellow e cientista pesquisador do ORNL.
Os pesquisadores começaram seus experimentos direcionando um laser para um ressonador de micro-anel – um dispositivo circular no chip fabricado pela EPFL e projetado para gerar luz não clássica. Essa poderosa fonte de fótons ocupa 1 milímetro quadrado de espaço – comparável em tamanho à ponta de um lápis afiado – e permitiu que a equipe gerasse pares de bin de frequência na forma de pentes de frequência quântica.
Normalmente, os experimentos de qudit exigem que os pesquisadores construam um tipo de circuito quântico chamado de portão quântico. Mas, neste caso, a equipe usou um modulador de fase eletro-óptico para misturar diferentes frequências de luz e um modelador de pulso para modificar a fase dessas frequências. Essas técnicas são estudadas extensivamente no Laboratório de Comunicação de Fibra Óptica e Óptica Ultrarrápida liderado por Andrew Weiner em Purdue, onde Lu estudou antes de ingressar no ORNL.
Esses dispositivos ópticos são comuns no setor de telecomunicações, e os pesquisadores realizaram essas operações aleatoriamente para capturar muitas correlações de frequência diferentes. De acordo com Lu, esse processo é como rolar um par de dados de seis lados e registrar quantas vezes cada combinação de números aparece – mas agora os dados estão emaranhados um no outro.
“Esta técnica, que envolve moduladores de fase e modeladores de pulso, é fortemente perseguida no contexto clássico para processamento de sinais fotônicos ultrarrápidos e de banda larga e foi estendida para a avenida quântica de qudits de frequência”, disse Weiner.
Para trabalhar para trás e inferir quais estados quânticos produziram correlações de frequência ideais para aplicativos qudit, os pesquisadores desenvolveram uma ferramenta de análise de dados baseada em um método estatístico chamado inferência bayesiana e executaram simulações de computador no ORNL. Essa conquista se baseia no trabalho anterior da equipe focado na realização de análises bayesianas e na reconstrução de estados quânticos.
Os pesquisadores estão agora ajustando seu método de medição para se preparar para uma série de experimentos. Ao enviar sinais por meio de fibra óptica, eles visam testar protocolos de comunicação quântica, como o teletransporte, que é um método de transporte de informações quânticas, e a troca de emaranhamento, que é o processo de emaranhar duas partículas anteriormente não relacionadas.
Karthik Myilswamy, estudante de pós-graduação em Purdue, planeja trazer o ressonador de micro-anel para o ORNL, o que permitirá que a equipe teste esses recursos na rede local quântica do laboratório.
“Agora que temos um método para caracterizar eficientemente qudits de frequência emaranhados, podemos realizar outros experimentos orientados a aplicativos”, disse Myilswamy.
Publicado em 17/10/2022 08h49
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