Đột phá về Internet lượng tử – Trình phân tích trạng thái Bell cho thấy Bước nhảy vọt khổng lồ hướng tới Internet lượng tử hoàn toàn

Sự thành thạo ngày càng tăng của các nhà khoa học về cơ học lượng tử đang báo trước một kỷ nguyên đổi mới.

Các công nghệ khai thác sức mạnh của quy mô nhỏ nhất của tự nhiên cho thấy tiềm năng to lớn trên phạm vi khoa học, từ máy tính mạnh hơn theo cấp số nhân so với các hệ thống hàng đầu hiện nay, các cảm biến có khả năng phát hiện vật chất tối khó nắm bắt và một mạng internet lượng tử hầu như không thể kiểm chứng.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng, SRI International, Freedom Photonics và Đại học Purdue đã đạt được những bước tiến trong việc hướng tới một internet lượng tử hoàn toàn bằng cách thiết kế và trình diễn máy phân tích trạng thái Bell đầu tiên để mã hóa tần số.

Phát hiện của họ đã được công bố trên Optica .

Trước khi thông tin có thể được gửi qua mạng lượng tử, trước tiên nó phải được mã hóa thành trạng thái lượng tử. Thông tin này được chứa trong qubit, hoặc phiên bản lượng tử của “bit” tính toán cổ điển được sử dụng để lưu trữ thông tin, trở nên vướng víu, có nghĩa là chúng nằm trong một trạng thái mà chúng không thể được mô tả độc lập với nhau.

Sự vướng víu giữa hai qubit được coi là tối đa khi các qubit được cho là ở “trạng thái Bell”.

Việc đo lường các trạng thái Bell này là rất quan trọng để thực hiện nhiều giao thức cần thiết để thực hiện giao tiếp lượng tử và phân phối sự vướng víu trên mạng lượng tử. Và trong khi các phép đo này đã được thực hiện trong nhiều năm, phương pháp của nhóm nghiên cứu đại diện cho máy phân tích trạng thái Bell đầu tiên được phát triển đặc biệt cho mã hóa bin tần số, một phương pháp liên lạc lượng tử khai thác các photon đơn lẻ cư trú ở hai tần số khác nhau đồng thời.

Nhà khoa học nghiên cứu ORNL, Wigner Fellow và thành viên nhóm Joseph Lukens cho biết: “Việc đo các trạng thái Bell này là cơ bản đối với truyền thông lượng tử. “Để đạt được những thứ như dịch chuyển tức thời và hoán đổi sự vướng víu, bạn cần một bộ phân tích trạng thái Bell.”

Dịch chuyển là hành động gửi thông tin từ bên này sang bên khác qua một khoảng cách vật lý đáng kể, và hoán đổi vướng víu đề cập đến khả năng vướng vào các cặp qubit chưa được giải quyết trước đó.

Lukens nói: “Hãy tưởng tượng bạn có hai máy tính lượng tử được kết nối thông qua một mạng cáp quang. “Do cách biệt về không gian nên chúng không thể tự tương tác với nhau.

“Tuy nhiên, giả sử chúng có thể bị vướng cục bộ với một photon đơn lẻ. Bằng cách gửi hai photon này xuống sợi quang học và sau đó thực hiện phép đo trạng thái Bell trên chúng tại nơi chúng gặp nhau, kết quả cuối cùng sẽ là hai máy tính lượng tử ở xa hiện bị quấn vào nhau – mặc dù chúng chưa bao giờ tương tác. Cái gọi là hoán đổi vướng víu này là một khả năng quan trọng để xây dựng các mạng lượng tử phức tạp. “

Trong khi có tổng cộng bốn trạng thái Bell, máy phân tích chỉ có thể phân biệt giữa hai trạng thái tại bất kỳ thời điểm nào. Nhưng điều đó không sao cả, vì việc đo lường hai trạng thái còn lại sẽ đòi hỏi thêm độ phức tạp lớn đến mức không cần thiết.

Máy phân tích được thiết kế với mô phỏng và đã chứng minh độ trung thực 98%; Lukens cho biết tỷ lệ lỗi 2% còn lại là kết quả của nhiễu không thể tránh khỏi từ việc chuẩn bị ngẫu nhiên các photon thử nghiệm, chứ không phải do chính máy phân tích. Độ chính xác đáng kinh ngạc này cho phép các giao thức liên lạc cơ bản cần thiết cho các thùng tần số, một trọng tâm nghiên cứu trước đây của Lukens.

Vào mùa thu năm 2020, Lukens và các đồng nghiệp tại Purdue lần đầu tiên chỉ ra cách thức các qubit tần số đơn lẻ có thể được kiểm soát hoàn toàn khi cần thiết để truyền thông tin qua mạng lượng tử.

Sử dụng công nghệ được phát triển tại ORNL được gọi là bộ xử lý tần số lượng tử, các nhà nghiên cứu đã chứng minh các cổng lượng tử có thể áp dụng rộng rãi hoặc các phép toán logic cần thiết để thực hiện các giao thức truyền thông lượng tử. Trong các giao thức này, các nhà nghiên cứu cần có khả năng thao tác với các photon theo cách do người dùng xác định, thường là để đáp ứng với các phép đo được thực hiện trên các hạt ở nơi khác trong mạng.

Trong khi các phép toán truyền thống được sử dụng trong máy tính và công nghệ truyền thông cổ điển, chẳng hạn như AND / OR, hoạt động trên các số không và các số không riêng lẻ, các cổng lượng tử hoạt động trên các chồng số không và các số không đồng thời, giữ cho thông tin lượng tử được bảo vệ khi nó đi qua, một hiện tượng bắt buộc để nhận ra mạng lượng tử thực sự.

Trong khi mã hóa tần số và sự vướng víu xuất hiện trong nhiều hệ thống và tương thích tự nhiên với sợi quang, việc sử dụng những hiện tượng này để thực hiện các thao tác xử lý và xử lý dữ liệu theo truyền thống đã chứng minh là khó.

Với việc hoàn thành bộ phân tích trạng thái Bell, Lukens và các đồng nghiệp đang tìm cách mở rộng thành một thử nghiệm hoán đổi rối hoàn chỉnh, đây sẽ là thử nghiệm đầu tiên thuộc loại này trong mã hóa tần số. Công việc này được lên kế hoạch như một phần của dự án Máy thử nghiệm Internet tăng tốc lượng tử của ORNL, vừa được DOE trao giải.

Tham khảo: “Máy phân tích trạng thái Bell cho các photon phân biệt phổ” của Navin B. Lingaraju, Hsuan-Hao Lu, Daniel E. Leaird, Steven Estrella, Joseph M. Lukens và Andrew M. Weiner, ngày 4 tháng 3 năm 2022, Optica.
DOI: 10.1364 / OPTICA.443302

Công việc này được tài trợ một phần bởi Văn phòng Khoa học của DOE thông qua Chương trình Nghiên cứu Nghề nghiệp Ban đầu.

UT-Battelle quản lý ORNL cho Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng, đơn vị hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ. Văn phòng Khoa học đang làm việc để giải quyết một số thách thức cấp bách nhất trong thời đại của chúng ta.

Theo Scitechdaily