Çin’den bilim insanları, çok kübitli bir işlem olan Toffoli kapısının fotonik bir kuantum ağında üç farklı konum arasında deneysel olarak ışınlanabileceğini gösterdiler.
Deney, en az 0,706’lık bir doğrulukla, kubitleri foton polarizasyonuna ve rota durumlarına başarıyla kodladı.
Bu atılım, dağıtık kuantum hesaplamayı büyük ölçüde basitleştirebilir ve karmaşık kuantum kapı ışınlamasının mümkün olduğunu kanıtlar.
Dağıtık kuantum hesaplama için önemli bir gelişme olarak Çinli araştırmacılar, bir Toffoli kapısının fotonik bir kuantum ağında coğrafi olarak dağınık üç düğüm arasında ışınlanabileceğini gösterdiler.
Bu deney, Toffoli kapısı gibi bir multiqubit kuantum kapısını uzak düğümler arasında taşıyarak daha karmaşık kuantum hesaplama görevleri için kuantum ışınlamanın uygulanabilirliğini gösteren türünün ilk örneği.
Daha yapılacak çok iş var, ancak bu başarılı deney kuantum hesaplama, iletişim ve metroloji alanlarında daha fazla araştırma ve yeni uygulamalar için kapı açıyor. Araştırmacılar, uzaktan işlem yapabilme yeteneğinin, bu teknolojiler geliştikçe kuantum hesaplamanın tüm potansiyelini gerçekleştirmek için kritik öneme sahip olacağını belirtiyor.
Araştırmacılar raporlarında, bulgularının karmaşık çoklu kübit kuantum kapılarının ışınlanmasının pratikliğini gösterdiğini belirtiyor. Ayrıca bu tekniğin, şu anda ya iki kübitli dağıtılmış kapılara ya da kuantum durum ışınlamasına bağlı olan dağıtılmış kuantum hesaplamanın deneysel gereksinimlerini basitleştirmede yararlı olabileceğini öne sürüyorlar.
Fotonlar, Çinli bir grup araştırmacı tarafından deneyde kübit olarak kullanıldı. Araştırmacılar kuantum bilgilerini fotonların polarizasyon serbestlik derecelerinde kodladılar. Ağdaki üç düğüm arasında kuantum dolanıklığı yaratmak için SPDC işlemleri tarafından üretilen eşleştirilmiş dolanık fotonlardan yararlandılar. Toffoli kapısı bu dolanıklık sayesinde ışınlanabiliyordu.
Kuantum ışınlanmasının 1990’lardaki gösteriminden bu yana ana kullanım alanı, belirli kuantum durumlarının farklı konumlar arasında aktarılması olmuştur. Çok sayıda kuantum işlemcinin karmaşık sorunları çözmek için işbirliği yapabileceği kuantum ağları ve dağıtılmış kuantum hesaplama için önemli bir gelişme, bu fikrin çoklu kübit kuantum kapılarının ışınlanmasına genişletilmesidir.
Üç kubiti kontrol edebilen bir tür kuantum mantık kapısı, kontrollü-kontrollü-NOT kapısının bir başka adı olan Toffoli kapısıdır. Belirli tersinir hesaplamaları yürütmek ve kuantum hata düzeltme için kritik olan devreleri inşa etmek için gerekli olan bu kapı, üçüncü kübitin durumunu yalnızca ilk ikisi de “1” durumunda olduğunda değiştirir. Büyük sayıları çarpanlara ayıran Shor algoritması da dahil olmak üzere çok sayıda kuantum hata düzeltme tekniği de bundan yararlanır.
Deneysel yapılandırmada, üç sistem kubiti ve bir yardımcı kubit fotonların polarizasyon durumlarında kodlanırken, üç yardımcı kubit daha fotonların rota serbestlik derecelerinde kodlandı. Makaleye göre bu, ekibin Toffoli geçidini oldukça verimli bir şekilde ışınlamasını mümkün kıldı.
En ileri optik teknolojilerde sıklıkla kullanılan bir tür baryum borat kristali olan β-baryum borat kristalleri, deney için iki sandviç benzeri konfigürasyonda birleştirildi. Kristaller, ihtiyaç duyulan dolaşık foton çiftlerini üretmek için darbeli bir UV lazer ile patlatıldı.
Araştırmacıların Alice, Bob ve Charlie olarak adlandırdıkları ağdaki üç düğüme bu dolaşık çiftler verildi.
Alice ve Bob, kısmen polarize ışın ayırıcılar (PPBS) kullanarak Toffoli geçidini uygulayarak gerçekleştirilen yerel kontrollü-NOT (CNOT) geçidini kullanarak ışınlanmayı gerçekleştirebildi.
Kuantum işlemleri tamamlandıktan sonra, ışınlanan Toffoli geçidinin durumu izlendi ve Hofmann yaklaşımı kullanılarak doğruluğu hesaplandı. Bu yöntem, parçacıkların veya sistemlerin davranışları hakkındaki tahminleri geliştirerek enerji seviyelerini anlamak için kullanılır. Bilim insanlarının daha doğru yanıtlar elde etmelerine yardımcı olmak için, gerçek sistem davranışıyla yakından eşleşene kadar bu tahminlere ince ayar yaparak ve geliştirerek çalışılır.
Bu deneyde, ışınlanan Toffoli geçidinin en az 0,706 ± 0,131’lik bir doğruluğa sahip olduğu belirlenmiştir.
0,706’lık bir aslına uygunluk, aslına uygunluğun 0 (tamamen yanlış) ile 1 (tamamen kesin) arasında değiştiği kuantum hesaplamada işlemin yaklaşık %70,6 oranında doğru olduğunu gösterir. Dolayısıyla, doğruluk oranı kuantum hesaplama için ortalamanın üzerindedir ve hiç değilse kuantum kapı ışınlanmasının dağınık bir kuantum ağında mümkün olduğunu kanıtlamaktadır.
Ayrıca grup, sistemlerinin ek karmaşık kuantum durumlarının ışınlanmasıyla da uyumlu olduğunu belirtiyor.
Deney düzeneklerinin, Charlie’nin bulunduğu yerdeki yerel Toffoli geçit aparatındaki iki HWP’yi ayarlayarak kolayca kontrollü faz geçidine (CCZ) dönüştürülebileceğini belirtiyorlar.
Kuantum İletişim ve Hesaplama için Sonuçlar
Kuantum hesaplama ve iletişim bu deneyin bulgularından büyük fayda sağlayacaktır. Fotonik kuantum ağları, kuantum bilgisini büyük mesafeler boyunca hiçbir kayıp ya da bozunma olmadan iletme kapasiteleri nedeniyle farklı kuantum bilgisayarları birbirine bağlamak için mükemmeldir. Toffoli geçidinin başarılı ışınlanması, daha karmaşık kuantum işlemlerinin bir kuantum bilgisayar ağı üzerinden yürütülebileceğini göstererek ölçeklenebilir dağıtılmış kuantum hesaplama olasılığına kapı açmaktadır.
Toffoli kapısının ışınlanması sadece pratik kullanımlara sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda kuantum bilgi biliminde teorik öneme de sahiptir. Bir ve iki kübitlik kapı dizilerine bölünebildikleri için, Toffoli kapısı gibi çok kübitli kuantum kapıları kuantum hesaplama için kesinlikle gerekli değildir. Öte yandan, kısıtlı kuantum kaynaklarına sahip sistemlerde veya kapı işlemlerini azaltmanın çok önemli olduğu durumlarda, çok kübitli kapıların doğrudan uygulanması verimlilik ve doğruluk avantajları sağlayabilir.
Araştırma ekibinin başarıyla gösterdiği bir Toffoli kapısının ışınlanması, hataya dayanıklı kuantum hesaplama ve kuantum hata düzeltme için potansiyel sonuçlar doğurabilir. Kuantum hata düzeltmenin önemli bir bileşeni, kuantum durumlarındaki hataları, bu seviyeleri hiç ölçmeden belirleme ve düzeltme kapasitesidir. Birçok kuantum hata düzeltme protokolü Toffoli geçidine dayanır; bu geçidi bir kuantum ağı üzerinden ışınlamak mümkün olsaydı, hata düzeltme görevlerini çok sayıda kuantum bilgisayar arasında bölmenin yeni yollarına kapı açardı.
Kaynak: thequantuminsider.com/2024/10/21/chinese-researchers-teleport-multi-qubit-operation-across-photonic-quantum-network/
