Valo ohjaa kahden atomin kvanttilaskentaa

Fyysikot ympäri maailmaa työskentelevät laajamittaisten kvanttiverkkojen toteuttamiseksi, joissa yksittäinen valokvantti siirtää hyvin turvatun kvantti-informaation kiinteisiin solmuihin suurilla etäisyyksillä.

Tällaiset kvanttiverkkojen perusrakenteet ovat esimerkiksi kvanttitoistimet, jotka kantavat kvantti-informaatiota pitkilläkin etäisyyksillä tai kvantti-logiikkaportit, jotka ovat välttämättömiä kvantti-informaation käsittelemiseksi.

Nyt tiedemiesten ryhmä Max Planck Institute of Quantum Opticsin professori Gerhard Rempe johdolla on osoittanut uuden konseptin kvanttiportin toteutettavuudesta.

Konseptissa optisessa ontelossa törmäävät fotonit välittävät kahden sen sisältämän atomin välistä vuorovaikutusta. Tämä vuorovaikutus on perusta porttitoimintojen suorittamiselle atomien välillä, esimerkiksi CNOT-portin toiminnan tai lomittumisen luomiseksi.

Uusi menetelmä tarjoaa monia etuja: esimerkiksi porttitoiminnot tapahtuvat mikrosekunteina, mikä on omiaan kvantti-informaation käsittelylle. Lisäksi porttimekanismia voidaan soveltaa muihin kokeellisiin alustoihin ja kahden atomin portti voi toimia rakennelohkona kvanttitoistimessa.

Kokeilun ydinosa (kuva) on epäsymmetrinen optinen onteloresonaattori, joka koostuu vahvasti heijastavasta ja puoliläpäisevästä peilistä. Kaksi sähköisesti neutraalia rubidiumatomia on loukussa ontelon keskellä.

Kukin atomi kantaa kubittia, eli kvantti-informaatiota, joka on koodattu kahden vakaan perustilan superpositioon. Yksi atomin perustiloista on resonanssissa onkalon valokentän kanssa ja siten atomit ja ontelo muodostavat vahvasti kytketyn järjestelmän.

Valokentän avulla tai sen puutteella voidaan sitten toteuttaa kvanttiporttien erilaisia toimintoja kahden atomin välillä. Konsepti voi tuottaa myös kvanttilomittuneita ulostulotiloja kahdesta alun perin itsenäisestä atomista.

"Porttitoiminnon taustalla oleva mekanismi on hyvin yksinkertainen ja tyylikäs, koska siinä on vain yksi fyysinen askel. Päinvastoin kuin muissa porttimekanismeissa, kubittien välisellä etäisyydellä ei ole merkitystä", toteavat tutkijat. Menetelmää voisi soveltaa myös moniin muuntyyppisiin atomeihin, ioneihin tai kvantti-informaatiota sisältäviin kiinteän tilan kvanttipisteisiin.

Tutkijoiden mukaan ontelossa voisi olla enemmänkin atomeja, jolloin suuren skaalan kvanttiverkossa, monikubittiset solmut voisivat palvella pieninä kvanttitietokoneina, jotka suorittavat peruslaskentaa ja lähettävät tuloksensa toisille solmuille.