Квантовые логические операции были реализованы с помощью одиночных фотонов

Ученые со всего мира работают над будущими квантовыми компьютерами и их экспериментальной реализацией. Обычно, типичный квантовый компьютер считается основанным на сети квантовых частиц или квазичастиц, которые служат для хранения, декодирования и процесса обработки квантовой информации. По аналогии со случаем классического компьютера квантовый логический элемент, который определяет выходные сигналы на входные сигналы детерминированным способом, был бы важным строительным блоком. Собравшаяся команда вокруг доктора Стефана Дурра и из Института Квантовой Динамики профессора Герхарда Рэмпе при Институте Макса Планка Квантовой Оптики теперь продемонстрировала эксперимент, в котором важна логическая операция - обмен бинарными значениями 0 и 1 может быть реализована единичными фотонами. Первый импульс содержал один фотон, который содержался в ультра-холодном облаке 100 000 атомов рубидия. Это дало произвести эффект при котором второй световой импульс прошел сквозь облако и задействовал сдвиг фазы на 180 градусов. (примечание: произошла поляризация второго светового пучка)

-Фотоны идеальные носители квантовой информации потому что они наиболее сильно взаимодействуют с окружением и могут легко быть переданы на длинные дистанции-, объясняет доктор Стефан Дюрре, лидер проекта.

-Таким образом мы очень заинтересованы в развитии фотон-фотон квантовых ворот или логических схем для одиночных световых импульсов, которые могут модифицировать входящий фотонный кубит достаточно определенным путем-

Современная обработка основана на принципе что информация может быть закодирована в бинарной системе. В данном контексте, логические ворота выполняют задачу реализации таблиц истинности, которым обычно присваивается шаблон вывода для определенного входного сигнала. Например, входное значение 0 может быть трансформировано в выходное значение 1 или наоборот. В фотон-фотон-квантовой перегородке или воротах, это соответствует процессу манипулирования одиночным фотоном управляя при этом состоянием второго единичного фотона детерминированным образом. Это взаимодействие опосредовано материи. До сих пор не была найдена ни одна физическая система, которая бы обеспечивала достаточно сильное взаимодействие. В этом эксперименте облако с более чем 100 000 атомов рубидия было охлаждено до 0.5 микрокельвинов и было поймано в дипольной ловушке, состоящей из нескольких световых полей. Далее, быстрая последовательность из трех световых импульсов падает на облако: первый так называемый управляющий импульс определяет, является ли второй целевой импульс существенно измененным, когда он проходит через облако, т.е., включена ли операция затвора или отключена. Третий импульс используется для извлечения возбуждения, которое потенциально было сохранено.

Световой импульс состоит из двух компонент: с одной стороны они состоят из красных световых сигналов настолько слабых, что импульс несет в среднем только один фотон. С длиной волны в 780 нм

он находится вблизи резонанса с определенным атомным переходом. Без дальнейшей обработки световой импульс будет проходить через облако атомов и приобретать некоторый фазовый сдвиг.

Тем не менее, путем добавления синего сочетания света высокой интенсивности с длиной волны 480 нм, фотонов в импульсе сигнала может храниться контролируемым и обратимым способом. Во время этого процесса, один атом в облаке передается в сильно возбужденном состоянии Ридберга, где один электрон находится на большом расстоянии от ядра.

Следующим шагом является то, что атомы облучаются мишенью импульсом, который также состоит из сигнала и сочетания света. По мере того как ридберговский атом проявляет силы ван-дер-Ваальса дальнего действия с другими атомами в облаке, атомные энергетические уровни внутри некоторой области вокруг ридберговского атома смещаются. Это приводит к большей дестабилизации мишени импульса от атомных уровней по сравнению со случаем без ранее сохраненного управляющего импульса.

Из-за этой дестабилизации заданный импульс увеличивает сдвиг фазы, отличающейся на 180 градусов от фазового сдвига, полученного при отсутствии сохранения информации об управлении возбуждением. "Именно этот дополнительный фазовый сдвиг, обусловленный взаимодействием ван-дер-Ваальса что действительно имеет значение" говорит доктор Дюрр. "Это дает возможность генерировать квантовые состояния, которые являются ортогональными друг к другу, что соответствует биту значений от 0 до 1." На последнем этапе, муфта светового импульса получает сигнал от фотона, который хранится в облаке.

В серии измерений, использовались волновые пакеты с поляризационным расщепителем пучка, ученые определили поляризацию обоих красных сигнальных фотонов после прохождения через облако атомов. Тем самым они смогли показать, что световой импульс подобрал дополнительный сдвиг фазы на 180 градусов, когда лазерный сигнал был включен в течение подачи импульса управления. Весь цикл - хранение управляющего импульса, распространение целевого импульса и извлечение управления возбуждением - занимает всего несколько микросекунд.

"Эксперимент показывает, что мы можем вращать плоскость поляризацией фотонного кубита в мишени импульса с помощью только одного фотона управления" говорит доктор Дюрр.

"Это является важной предпосылкой для реализации квантовых ворот. Однако, квантовый вентиль также должен обеспечивать возможность генерации запутанных конечных состояние из двух отдельных начальных состояний. Для достижения этой цели мы планируем сделать дальнейшие эксперименты."

Оригинал статьи [ENG] приложен к новости в формате PDF!

Оригинал: http://phys.org/news/2016-05-quantum-logical-photons.html

Источник: phys.org

Комментарии: