Budoucnost kvantové informatiky: experimentální sestava lineárně-optického c-phase hradla

Kvantové zpracování informace nabízí potenciál pro další rozvoj informačních technologií. Teoretický výzkum v této oblasti již předpověděl celou řadu významných zlepšení, kterých lze dosáhnout použitím kvantové fyziky namísto klasických výpočetních metod. Ukazuje se, že základním stavebním kamenem budoucích kvantových počítačů budou tzv. c-phase hradla (z anglického controlled phase). Jedná se o hradla zpracovávající 2 bity kvantové informace (qubity), jejichž činnost se podobá operaci CNOT známé z klasické výpočetní techniky. Současný experimentální výzkum však naráží na celou řadu technologických překážek bránících rutinnímu nasazení kvantových technologií do každodenní praxe. Zvláště pak nízká účinnost (nízká pravděpodobnost úspěchu) významně limituje možnosti nasazení.

V našem experimentu jsme řešili velmi důležitou otázku: vývoj pravděpodobnosti úspěchu hradla c-phase v závislosti na jeho nastavení. Teoretická studie autorů z univerzity v Cambridge předpověděla nezvyklý průběh této závislosti. Použity byly lineárně optické komponenty, jako jsou polarizační fázové destičky nebo polarizátory světla. V procesu spontánní sestupné frekvenční konverze byly generovány páry fotonů nesoucí kvantovou informaci (qubity) zpracovávanou naším hradlem. Pomocí metody kvantové tomografie a estimace byly zjištěny detailní parametry transformace, kterou hradlo na obou qubitech provádí.

Nejvýznamnějším výstupem celého experimentu bylo ověření teoretické předpovědi pro pravděpodobnost úspěchu jako funkce nastavení parametrů hradla. Porovnání experimentálně získaných hodnot a teoretické křivky je vyneseno na obrázku. Nastavitelnost parametrů našeho hradla v závislosti na požadavku daného kvantového protokolu rozšiřuje možnosti jeho efektivního nasazení například v oblasti generace neklasických stavů světla.

Závislost pravděpodobnosti úspěchu na nastavení hradla.

¹Joint Laboratory of Optics of Palacký University and Institute of Physics of Academy of Sciences of the Czech Republic, Olomouc, Czech Republic
²Institute of Physics and Astronomy, University of Potsdam, Potsdam, Germany
³Institute for Advanced Study Berlin, Berlin, Germany
⁴Department of Optics, Faculty of Science, Palacký University, Olomouc, Czech Republic