物理学者が最初のユニバーサル量子ゲートを作成

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ビデオ: 数式なしでもしっかり学ぶ量子力学 2022, 十一月
物理学者が最初のユニバーサル量子ゲートを作成
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実験セットアップ図

グリフィス大学とクイーンズランド大学の物理学者は、フレドキン量子バルブの実用的なプロトタイプを初めて作成しました。デバイスは、3番目の制御キュービットの状態に応じて2つのキュービットの状態を交換します。これらのゲートの1つまたは複数の組み合わせを使用して、任意の量子論理演算を実行できます。つまり、ユニバーサルです。この研究はジャーナルScienceに掲載され、グリフィス大学のプレスリリースで簡単に報告されています。

バルブは次のように機能します。制御信号は、3つの入力の1つに供給されます。その値がゼロに等しい場合、その値と残りの2つの入力の信号の両方が変更されずに渡されます。制御信号の値が1に等しい場合、他の2つの入力の信号は出力チャネルで交換され、制御ラインは変更されません。任意の論理演算は、1つ以上の古典的なゲートを使用して実行できます。

量子ゲートにも同様の特性があります。本質的に、これは、操作ごとにいくつかの異なるタイプのゲート(NOT、OR、排他的論理和など)を作成する代わりに、デバイス内で特定の方法で相互に接続された1つのタイプの要素のみを使用できることを意味します。 。特に、回路内の要素の総数を減らすことができます。

理論物理学者は以前、特に5つの通常の2量子ビット要素の組み合わせを使用して、フレドキンゲートを作成するいくつかの方法を提案しました。ただし、そのようなスキームは非常に複雑であり、まだ実装されていません。新しい作品の著者は、追加の論理要素を使用せずに、より単純なバルブ回路を提案しただけでなく、それを実現しました。

科学者は、SWAP操作スキーム(スワップキュービット)に基づく線形光学系を使用してデバイスを実装しました。著者は、この図に制御線を追加しました。物理学者は、そのようなステップは光学システムで正確に可能であったと述べています。制御線がSWAP操作に影響を与えるために、著者は光子経路に対して機能する特別な種類のエンタングルメントを使用しました。言い換えると、一方のフォトンは、もう一方のフォトンが「選択」したパスに応じて、一方向または別の方向に進む可能性があります。

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バルブ操作図。パスの一番上のペアは制御キュービットに属し、次の2つのペアは制御されたものに属します。 4番目のペアは、ゲートが機能したかどうかを確認するトリガーです。

科学者たちは、入力信号を生成するために、自発的パラメトリック散乱から生まれた光子を使用しました。これは、1つの光子が2.5のエネルギーに変わる現象です。これらの粒子は絡み合っています。次に、光子が偏光されました。これが、キュービットの状態がエンコードされた方法です。制御量子ビットによるパスの選択に応じて、2つの入力量子ビットは混合されるか(図のパス1R、2B、1G)、変更されずに移動し続けます(パス1B、2R、1Y)。

物理学者は、650のイベントが登録されるまで、各入力信号バリアントをテストしました。イベントは、4つの検出器(コントロール、第1キュービットと第2キュービット、および追加の検出器)が単一の光子の到着を同時に記録した状況のみと見なされました。著者によると、得られたバルブは高精度で動作します。「実験は非常に美しいです。それは、何か新しいものを生み出す根本的な可能性を示す実証実験のカテゴリーに属しています。この場合、私たちは普遍的な量子ゲートについて話している。実装には、非常に便利なベースが選択されました。線形光学系で、根本的に新しいデザインを表示するのに非常に便利です。次のステップ-線形光学でのスケーリングは非常に難しいので、他のシステム、たとえば冷原子や超伝導キュビットで同様の実験が示されるのを待ちます」とロシア量子センターの量子通信グループの責任者であるユーリ・クロチキンはコメントしました。 。

著者は、フレドキンゲート自体がさまざまな問題で使用される可能性があることに注意しています。たとえば、2セットのキュービットが同じであるかどうかをすばやく比較できます。このような操作は、キーを調整し、量子暗号で安全な通信回線を作成するために必要です。また、ゲートは、数値を素因数に分解するショアのアルゴリズムで使用できます。

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