Puertas cuánticas de modo espacial de alta fidelidad habilitadas por redes neuronales difractivas

Las puertas cuánticas confiables son el núcleo del procesamiento de información cuántica. Sin embargo, lograr transformaciones unitarias de alto nivel de manera escalable y compacta con una fidelidad extremadamente alta sigue siendo un gran desafío.

Para resolver este problema, científicos en China demuestran el uso de redes neuronales profundas (D.²NN) para construir una serie de puertas cuánticas de alta dimensión, que están codificadas por modos espaciales de fotones. Este trabajo fue publicado en Iluminación: ciencia y aplicacionespresenta un nuevo paradigma para el diseño de puertas cuánticas mediante el aprendizaje profundo.

La computación cuántica promete cambiar la forma en que procesamos la información y, en esencia, las puertas lógicas cuánticas confiables desempeñan un papel clave en el procesamiento de la información cuántica.

Si bien se han demostrado varios tipos de puertas cuánticas, las puertas cuánticas fotónicas son naturalmente compatibles con la comunicación cuántica y han despertado un gran interés en el campo de la información cuántica.

La infinidad intrínseca de bases ortogonales en los modos espaciales de los fotones ofrece un vasto alfabeto de codificación, que fomenta la creatividad en el procesamiento de información cuántica de alta dimensión. Sin embargo, lograr cambios de asociación de alto nivel de manera precisa, escalable y consistente con muy alta fidelidad sigue siendo un desafío importante.

Un equipo de científicos dirigido por el Prof. Jian Wang del Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan y la Escuela de Información Óptica y Electrónica de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, China, el Laboratorio Optics Valley, China, y sus colaboradores demostraron el uso de difracción profunda. el. Redes neuronales (D²NN) para construir una serie de puertas cuánticas de alta dimensión, que están codificadas por modos espaciales de fotones.

Todos implementaron puertas X tridimensionales y tres puertas Hadamard codificadas Laguerre-Gaussianas. La puerta muestra una fidelidad extremadamente alta de hasta el 99,4 (3) %, como lo demuestra la tomografía de proceso cuántico. También emplean un método de codificación único para codificar dos bits de información, utilizando cuatro modos de momento angular orbital (OAM) de un solo fotón.

De esta manera, lograron la conversión de la dirección de rotación del frente de onda (signo de modo) del OAM según su orden de modo. La fidelidad de la matriz de proceso reconstruida de esta puerta de nota controlada es del 99,6(2)%, y esta puerta de alta fidelidad permite cálculos cuánticos confiables.

También demostraron la aplicabilidad de este método implementando con éxito el algoritmo Deutsch, que incluye un circuito cuántico completo de 2 qubits basado en su configuración experimental. Esta demostración confirma la capacidad de los circuitos cuánticos para realizar operaciones complejas con o sin él.

Las demostraciones experimentales de todas las puertas mencionadas anteriormente muestran las ventajas del tamaño reducido, la gran escala y la robustez sobre varias bases de modo. Además, basada en un dispositivo modelo de fase reconfigurable, esta implementación conduce a una configuración inteligente, que muestra un potencial excepcional para realizar los procesos deseados o realizar protocolos automatizados para mejorar el rendimiento experimental.

Para orientar los experimentos, analizaron la relación entre el rendimiento de la puerta cuántica y diversos parámetros, incluidas la pérdida y las propiedades del modulador de luz local. Además, realizaron un análisis comparativo de d²Se concluye que el rendimiento de la puerta NN en comparación con el método convencional de coincidencia de frente de onda mejora significativamente con un pequeño costo de reducción de energía.