Zum ersten Mal haben Physiker ein Qutrit in ein Qutrit verwickelt - die 3D-Version des 2D-Qutrits. Qubit-Qutrit-Verstrickungen könnten zu Vorteilen im Quantencomputer führen, wie z. B. zu höherer Sicherheit und effizienteren Quantentoren, und neuartige Tests der Quantenmechanik ermöglichen.

Das Forscherteam, das sich aus Physikern der University of Queensland, der University of Bristol und der University of Waterloo zusammensetzt, hat seine Ergebnisse in einer aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht . Die Forscher stellten Qutrits mit Biphotonen (zwei korrelierten Photonen) her, was zu "biphotonischen Qutrits" führte. Dann verstrickten sie diese Qutrits mit photonischen Qutrits (hergestellt mit einem Photon) unter Verwendung einer Kombination von linearen optischen Elementen und Messungen.

Ein Qutrit ist, wie es sich anhört, das Quanteninformationsanalogon des klassischen Trits. Aufgrund seiner quantenmechanischen Natur kann ein Qutrit in Überlagerungen seiner drei Grundzustände existieren. Dies ist ähnlich wie ein Qubit in Überlagerungen seiner beiden Zustände existieren kann. Aufgrund der 3D-Natur des Qutrit kann er jedoch viel mehr Informationen enthalten als das Qubit. (Eine Folge von n klassischen Bits enthält 1 n Zustände, eine Folge von n Qubits enthält 2 n Zustände und eine Folge von n Qutrits enthält 3 n Zustände.)

Viele Forscher haben die Möglichkeiten untersucht, ein Qutrit und ein Qutrit zu verwickeln, in der Hoffnung, ein wertvolles Werkzeug zur Verbesserung des Quantencomputers und zur Erforschung neuer Quantenphänomene zu entwickeln. Das Ergebnis der Autoren macht solche theoretischen Vorschläge nun experimentell überprüfbar.

"Für mich ist die Bedeutung unserer Arbeit, wie die Verflechtung von Systemen mit einem Qubit eine großartige Möglichkeit sein kann, dieses System zu manipulieren", sagte Co-Autor Benjamin Lanyon von der University of Queensland gegenüber PhysOrg.com . "In unserem Beispiel verwenden wir diese Technik, um den Bereich möglicher Transformationen von Qutrits - diesen höherdimensionalen Quanteninformationsträgern, die viele Vorteile bieten, aber ansonsten sehr schwierig zu handhaben sind - dramatisch zu erweitern."

In ihrer Studie zeigten die Forscher, dass die Qutrit-Verstrickung von Qutrit eine nützliche Ressource zur Manipulation der schwer zu handhabenden Qutrit sein kann. Die Wissenschaftler bauten einen nichtlinearen Qutrit-Polarisator, bei dem die Verschränkung und die zerstörerische Messung des Qubits erzeugt werden. Das Ergebnis ist, dass ein einzelner Qutrit-Zustand vorübergehend aus der Qutrit-Überlagerung entfernt wird.

Lanyon erklärt, dass dies ein Beispiel für eine messungsinduzierte Nichtlinearität (MINL) ist, die als äußerst leistungsstarkes Werkzeug zur Manipulation von Qubits und zur Realisierung eines optischen Quantencomputers bekannt ist.

„Messungen am Ausgang von optischen Schaltkreisen, die nur aus linearen Elementen (wie Strahlteilern, Phasenschiebern und Spiegeln) bestehen, können zu einer nichtlinearen Entwicklung des optischen Eingangsfelds führen, dh die Photonen scheinen in jeder Hinsicht eine solche zu haben interagierte “, sagte Lanyon. „Das ist überraschend, da Photonen in diesen Systemen nicht auf natürliche Weise interagieren und der Effekt als messungsinduzierte Nichtlinearität bezeichnet wird. Im Rahmen unserer Studie führt die MINL zu der nichtlinearen Evolution, die erforderlich ist, um eine Verschränkung zu erzeugen und einen einzelnen logischen Zustand aus einer Qutrit-Überlagerung zu entfernen. “

Er gab auch eine visuelle Beschreibung.

"Bedenken Sie, dass es eine Reihe verschiedener Wege gibt, die die Photonen durch die optische Schaltung nehmen könnten", sagte er. „Wie beim Doppelspaltexperiment mit Elektronen nehmen die Photonen alle diese Wege auf einmal und am Ausgang erhalten wir eine große Überlagerung. Nehmen wir nun eine Messung des gesamten (oder eines Teils) Ausgangszustands vor. Bestimmte Ergebnisse bedeuten, dass bestimmte Pfade nicht genommen wurden - und daher können wir Pfade auf diese Weise entfernen, vorausgesetzt, dass bestimmte Messergebnisse vorliegen. Sehr clevere Messungen können zu einer Pfadhistorie führen, die zu Verwicklungen führt. “

Die Forscher schlagen auch eine Reihe von Erweiterungen ihrer Arbeit vor. Beispielsweise könnte ein Paar von verschränkten Qutrit-Qutrit-Zuständen verwendet werden, um eine Qutrit-Qutrit-Verschränkung zu erzeugen, für die zunächst eine Verschränkung der beiden Qutrit-Zustände erforderlich wäre. Derzeit in der Entwicklung befindliche Einzelphotonenquellen mit hoher Helligkeit werden bei solchen zukünftigen Experimenten hilfreich sein. Die Forscher schlagen auch vor, dass die Verwendung von MINLs als Manipulationstechnik nicht auf Photonen beschränkt ist, sondern auf jede Art von bosonischem Quanteninformationsträger angewendet werden kann.

Die Wissenschaftler sagen voraus, dass höherdimensionale Verschränkungen unter anderem zur Optimierung der Sicherheit in Quanteninformationssystemen und zur Erhöhung der Kanalkapazität für die Quantenkommunikation eingesetzt werden können.

Weitere Informationen: Lanyon, BP, Weinhold, TJ, Langford, NK, O'Brien, JL, Resch, KJ, Gilchrist, A. und White, AG.

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