Teletransporte quântico experimental de propagação de microondas

Teletransporte quântico (QT) de propagação de microondas: conceito e implementação. (A) Conceito geral. (B) Nossa implementação experimental de QT com propagação de microondas quânticas e feedforward analógico (veja também a nota S1 para os esquemas técnicos completos). Aqui, um estado coerente de entrada desconhecido é teletransportado de Alice para Bob explorando o emaranhamento quântico caracterizado pelo nível de compressão de dois modos ST ࣠ S. O sinal feedforward é gerado pela medição JPAs com o ganho degenerado G, em combinação com dois anéis híbridos e uma operação de deslocamento local do lado de Bob. O último é implementado com um acoplador direcional com o acoplamento β = -15 dB. Os gráficos em caixas tracejadas representam estados quânticos no espaço de fase de Wigner de quase probabilidade estendido por quadraturas de campo p e q. A linha tracejada vermelha marca um caminho de sinal de entrada específico correspondente ao operador Hˆ. (C) Detalhes e rótulos de vários elementos experimentais. Crédito: Science Advances, DOI: 10.1126 / sciadv.abk0891

O campo da comunicação quântica experimental promete formas de troca de informações segura e incondicional em estados quânticos. A possibilidade de transferir informações quânticas constitui a pedra angular do campo emergente da comunicação quântica e computação quântica. Avanços recentes na computação quântica com circuitos supercondutores desencadeiam uma demanda por canais de comunicação quântica entre processadores supercondutores separados no espaço em frequências de comprimento de micro-ondas.

Para perseguir esse objetivo, Kirill G. Fedorov e uma equipe de cientistas na Alemanha, Finlândia e Japão demonstraram o teletransporte quântico incondicional para propagar estados de micro-ondas coerentes, explorando compressão de dois modos e feedforward analógico através de uma distância de 0,42 m. Os pesquisadores alcançaram uma fidelidade de teletransporte de F = 0,689 ± 0,004, que excedeu o limite de não clonagem assintótica, impedindo o uso de métodos clássicos de correção de erros em estados quânticos. O estado quântico do estado teletransportado foi preservado para abrir o caminho para a segurança incondicional na comunicação quântica de microondas.

Teletransporte quântico (QT).

A promessa da comunicação quântica é baseada na entrega de maneiras eficientes e incondicionalmente seguras de trocar informações, explorando as leis quânticas da física. O teletransporte quântico (QT) é um protocolo exemplar que se destaca por permitir a transferência desincorporada e segura de estados quânticos desconhecidos usando o emaranhamento quântico e a comunicação clássica como recursos. O progresso recente na computação quântica com circuitos supercondutores levou à comunicação quântica entre processos supercondutores separados espacialmente funcionando em frequências de comprimento de micro-ondas. Os métodos para alcançar esta tarefa de comunicação incluem a propagação de microondas comprimidas em dois modos (TMS) para emaranhar qubits remotos e teletransportar estados de microondas para fazer interface entre sistemas supercondutores remotos. Fedorov et al. demonstrou o QT determinístico de estados de micro-ondas coerentes explorando compressão de dois modos e feedforward analógico através de uma distância de 0,42 m para fornecer um recurso chave para futuras redes de área local quântica de micro-ondas e computação quântica modular.

Limiares de fidelidade e modelo teórico. (A) Fidelidades QT experimentais F como uma função do ganho de medição G e compressão de S para nd = 1,1 fótons. Barras vermelhas denotam SD dos dados experimentais. O plano azul claro corresponde ao limite de fidelidade F = 0,5 entre os regimes quântico e clássico, enquanto o plano verde denota o limite de não clonagem Fnc = 2/3. Os dados experimentais violam o limite de não clonagem para G = 21 dB em toda a faixa de níveis de compressão. (B) Mesmos dados com o modelo teórico ajustado (plano laranja). (C) Visão estendida sobre o desempenho QT esperado para o mesmo modelo, onde a caixa tracejada cinza escuro delineia a área apresentada em (B). Este gráfico de teoria demonstra que a melhoria das fidelidades de teletransporte requer um aumento do ganho de medição G e do nível de compressão S. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abk0891

Transporte de um estado quântico desconhecido

O processo de computação quântica visa atingir o objetivo classicamente impossível de transferir um estado quântico desconhecido de um lugar para outro sem transferência direta. A tarefa é normalmente quantificada com uma fidelidade de teletransporte conhecida para expressar a sobreposição no espaço de fase entre um estado de entrada desconhecido e um estado de saída teletransportado. Ao exceder o limite de fidelidade clássico, os pesquisadores podem, assim, experimentar transições para o reino quântico por meio de correlações não clássicas, como o emaranhamento quântico.

O valor preciso do limite de fidelidade clássico é um assunto de muitas discussões científicas, dependendo dos estados teletransportados e da respectiva dimensão espacial de Hilbert (a análise dimensional da comunicação através de um canal quântico). Por exemplo, o valor para uma tarefa específica de teletransportar estados quânticos coerentes que difere do limite para estados de qubit pode ser superado experimentalmente com qubits supercondutores.

Além disso, o teletransporte de estados gaussianos de variáveis contínuas tem muitas vantagens técnicas em comparação com estados de variáveis discretas, onde a geração experimental e o controle de tons coerentes fracos são significativamente devidos à sua origem em geradores de microondas convencionais. Os pesquisadores podem gerar estados emaranhados de variável contínua, na forma de luz comprimida de dois modos por meio de dispositivos supercondutores fracamente não lineares, incluindo vários dispositivos paramétricos Josephson, para gerar emaranhamento determinístico para taxas de bits de comunicação mais altas em comparação com os esquemas de geração de emaranhamento não determinístico frequentemente usados.

Medidas de tomografia e fidelidade. (A) Funções de Wigner reconstruídas de um estado de entrada, estado teletransportado e estado classicamente teletransportado para o nível de compressão S = 4,5 dB, o número de fótons de deslocamento do estado de entrada nd = 2,7 e o ganho de medição G = 23 dB. Os valores inseridos representam a fidelidade F de QT e a pureza ?. (B) Fidelidade F como uma função de nd para dois valores característicos de G. A linha tracejada preta marca o ponto operacional ilustrado em (A). O erro estatístico é menor que o tamanho do símbolo. (C) Fidelidade F como uma função de nd e ângulo de deslocamento ?d para dois valores característicos de G. As linhas azuis e verdes claras marcam os limites clássico e de não clonagem, respectivamente. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abk0891

Protocolo experimental e configuração

O protocolo experimental de teletransporte quântico continha várias etapas, incluindo (1) geração e distribuição de emaranhamento entre as partes de comunicação, geralmente denominadas Alice e Bob. (2) Operações locais do lado de Alice com o objetivo de gerar um sinal feedforward. (3) Feedforward e uma operação unitária local do lado de Bob, resultando no teletransporte do estado quântico desconhecido combinando o sinal feedforward com o estado de recurso emaranhado.

Para isso, Fedorov et al. usou dois amplificadores paramétricos Josephson (JPAs) emaranhados em combinação com um anel híbrido (divisor de feixe de micro-ondas) para gerar estados de micro-ondas compactados de dois modos emaranhados na saída do anel híbrido. Quando sobrepostos no anel híbrido, esses estados produziram saídas que normalmente se parecem com ruído térmico clássico. Devido à propagação dos estados comprimidos de dois modos, eles distribuíram diretamente os estados emaranhados entre Alice e Bob usando cabos coaxiais supercondutores de nióbio-titânio para implementar a etapa (1) do protocolo QT, onde os cabos foram moldados como ressonadores de guia de onda de meio comprimento de onda.

Do lado de Alice, eles usaram outro anel híbrido para emaranhar um estado coerente fraco que serviu como o estado de entrada desconhecido com o estado compactado de dois modos compartilhados. Os cientistas guiaram as saídas do segundo anel híbrido em um par de JPAs de medição para realizar uma forte amplificação sensível à fase ao longo dos ângulos de amplificação ortogonais e sobrepuseram as saídas das medições no terceiro anel híbrido para produzir o sinal feedforward e concluir a etapa (ii). Durante a parte final do protocolo QT, o aplicativo feedforward resultante para a parte de Bob do estado comprimido de dois modos implementou o teletransporte do estado de entrada na saída do acoplador direcional.

Isso concluiu a etapa (iii) do protocolo.

Esquema experimental de protocolo de teletransporte quântico de microondas com propagação de estados. Os dois interruptores criogênicos permitem o teletransporte quântico (posição do interruptor A) ou medições de caracterização (posição do interruptor B). As linhas entrelaçadas entre as saídas do anel híbrido simbolizam o emaranhamento. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abk0891

Os resultados experimentais do protocolo QT de microondas mostraram os estados de saída teletransportados quânticos correspondentes e os estados de saída teletransportados classicamente. Fedorov et al. definiu o teletransporte clássico como o protocolo QT idêntico sem um recurso emaranhado disponível para as partes comunicantes (Alice e Bob), implementado desligando os tons de bomba de amplificadores paramétricos de Josephson (JPAs) de emaranhamento, enquanto o resto do protocolo experimental permaneceu inalterado.

No entanto, o teletransporte de um estado coerente específico não foi suficiente para fins gerais de comunicação quântica. Também é importante demonstrar o teletransporte bem-sucedido de um conjunto de estados quânticos para formar um alfabeto de comunicação ou livro de código, onde a ortogonalidade dos estados quânticos que formam o livro de código de comunicação não são necessários.

Esquema de misturador Josephson. O misturador Josephson com degeneração de frequência consiste em JPA 3 e JPA 4 em combinação com dois divisores de feixe de micro-ondas simétricos para realizar a detecção de Bell. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abk0891

Panorama

Desta forma, Kirill G. Fedorov e colegas conseguiram implementar um protocolo de teletransporte quântico (QT) com propagação de microondas em um ambiente criogênico a uma distância de 0,42 m. Durante os experimentos, eles confiaram exclusivamente em dispositivos paramétricos supercondutores de alumínio-nióbio convencionais para gerar e controlar sinais de micro-ondas quânticos que os tornaram totalmente compatíveis com outros circuitos supercondutores quânticos, em relação a frequências e tecnologia de fabricação, incluindo células de memória quântica ou processadores quânticos supercondutores.

Os resultados de QT desenvolvidos no estudo, combinados com avanços técnicos, podem trazer redes quânticas de área entre computadores supercondutores ao seu alcance. Esses experimentos abrirão o caminho no conveniente regime de microondas em direção a supercomputadores quânticos supercondutores para explorar as vantagens da comunicação quântica segura.

Publicado em 06/01/2022 14h24

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