Pjesa që mungon, u zbulua në enigmën e llogaritjes optike kuantike

Një portë efikase logjike kuantike dy bitëshe ka qenë jashtë arritjes, deri më tani.

Kërkimet nga Shkolla e Inxhinierisë McKelvey në Universitetin e Uashingtonit në St. Louis ka gjetur një pjesë të munguar në enigmën e llogaritjes optike kuantike.

Jung-Tsung Shen, profesor i asociuar në Departamentin e Inxhinierisë Elektrike dhe të Sistemeve në Preston M. Green, ka zhvilluar një portë përcaktuese, me besueshmëri të lartë, me dy bit logjike kuantike që përfiton nga një formë e re e dritës. Kjo portë e re logjike është rendi i madhësive më efikase se teknologjia aktuale.

“Në rastin ideal, besnikëria mund të jetë deri në 97%,” tha Shen.

Kërkimi i tij u botua në maj 2021 në revistën Physical Review A.

Potenciali i kompjuterave kuantikë është i lidhur me vetitë e pazakonta të superpozicionit – aftësia e një sistemi kuantik për të përmbajtur shumë veti të ndryshme, ose gjendje, në të njëjtën kohë – dhe ngatërrim – dy grimca që veprojnë sikur të jenë të ndërlidhura në një jo klasike mënyrë, pavarësisht se janë larguar fizikisht nga njëri-tjetri.

Kur voltazhi përcakton vlerën e një biti (a 1 ose a 0) në një kompjuter klasik, studiuesit shpesh përdorin elektrone individuale si “kubitë”, ekuivalentin kuantik. Elektronet kanë disa tipare që i përshtaten mirë për detyrën: ato manipulohen lehtësisht nga një fushë elektrike ose magnetike dhe bashkëveprojnë me njëri-tjetrin. Ndërveprimi është një përfitim kur të duhen dy bit për tu ngatërruar – duke lënë të shfaqet shkretëtira e mekanikës kuantike.

Por prirja e tyre për të bashkëvepruar është gjithashtu një problem. Çdo gjë, nga fushat magnetike të humbura te linjat e energjisë mund të ndikojnë në elektronet, duke i bërë ato të vështira për t’u kontrolluar me të vërtetë.

Për dy dekadat e fundit, megjithatë, disa shkencëtarë janë përpjekur të përdorin fotone si kubitë në vend të elektroneve. “Nëse kompjuterat do të kenë një ndikim të vërtetë, ne duhet të shohim krijimin e platformës duke përdorur dritën”, tha Shen.

Fotonet nuk kanë ngarkesë, gjë që mund të çojë në probleme të kundërta: ato nuk ndërveprojnë me mjedisin si elektronet, por gjithashtu nuk bashkëveprojnë me njëri-tjetrin. Ka qenë gjithashtu sfiduese për inxhinierinë dhe krijimin e ndërveprimeve ad-hoc (efektive) ndër-fotone. Ose kështu shkoi mendimi tradicional.

Më pak se një dekadë më parë, shkencëtarët që punonin për këtë problem zbuluan se, edhe nëse nuk do të ngatërroheshin kur hynin në një portë logjike, akti i matjes së dy fotoneve kur ata dilnin i çoi ata të silleshin sikur të kishin qenë. Karakteristikat unike të matjes janë një tjetër shfaqje e egër e mekanikës kuantike.

“Mekanika kuantike nuk është e vështirë, por është plot surpriza”, tha Shen.

Zbulimi i matjes ishte novator, por jo mjaft ndryshues i lojës. Kjo sepse për çdo 1.000.000 fotone, vetëm një palë u ngatërrua. Studiuesit që atëherë kanë qenë më të suksesshëm, por, Shen tha, “Ende nuk është aq mirë sa një kompjuter”, i cili duhet të kryejë miliona deri në miliarda operacione në sekondë.

Shen ishte në gjendje të ndërtonte një portë logjike kuantike dy bitëshe me një efikasitet të tillë për shkak të zbulimit të një klase të re të gjendjeve fotonike kuantike – dimers fotonike, fotoneve të ngatërruara si në hapësirë ​​ashtu edhe në frekuencë. Parashikimi i tij i ekzistencës së tyre u vërtetua eksperimentalisht në 2013, dhe ai që atëherë ka gjetur aplikime për këtë formë të re të dritës.

Kur një foton i vetëm hyn në një portë logjike, asgjë e dukshme nuk ndodh – ajo hyn dhe del. Por kur ka dy fotone, “Kjo është kur kemi parashikuar që të dy mund të krijojnë një gjendje të re, dimers fotonike. Rezulton se ky shtet i ri është thelbësor ”.

Matematikisht, ka shumë mënyra për të hartuar një portë logjike për operacione dy-bit. Këto dizajne të ndryshme quhen ekuivalente. Porta logjike specifike që Shen dhe grupi i tij kërkimor hartuan është porta e fazës së kontrolluar (ose porta e kontrolluar-Z). Funksioni kryesor i portës me fazë të kontrolluar është që dy fotonet që dalin të jenë në gjendjen negative të dy fotoneve që hynë brenda.

“Në qarqet klasike, nuk ka asnjë shenjë minus”, tha Shen. “Por në informatikën kuantike, rezulton se shenja minus ekziston dhe është thelbësore”.

“Mekanika kuantike nuk është e vështirë, por është plot surpriza”.

– Jung-Tsung Shen

Kur dy fotone të pavarura (që përfaqësojnë dy kubitë optikë) hyjnë në portën logjike, “Projekti i portës logjike është i tillë që dy fotonet mund të formojnë një dimer fotonik”, tha Shen. “Rezulton se gjendja e re fotonike kuantike është thelbësore pasi ajo mundëson që shteti i daljes të ketë shenjën e saktë që është thelbësore për operacionet logjike optike”.

Shen ka punuar me Universitetin e Miçiganit për të testuar modelin e tij, i cili është një portë logjike e një gjendje të fortë – një që mund të funksionojë në kushte të moderuara. Deri më tani, thotë ai, rezultatet duken pozitive.

Shen thotë se ky rezultat, megjithëse hutues për shumicën, është i qartë si dita për ata që dinë.

“Likeshtë si një enigmë”, tha ai. “Mund të jetë e komplikuar për ta bërë, por pasi të jetë bërë, thjesht duke e hedhur një vështrim mbi të, do ta dini se është e saktë.”