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Protokoll zum Entwerfen mehrdimensionaler Zustände

23.12.2021

Das unvermeidliche Vorhandensein von Rauschen und Mängel in den Eigenschaften experimenteller Geräte verringern die Gesamtqualität der Erzeugung mehrdimensionaler Zustände. Um diese Einschränkungen zu überwinden, verwendete ein Forscherteam der Sapienza University of Rome, der Queen's University of Belfast und der University of Palermo ein adaptives Optimierungsprotokoll, das in der Lage ist, beliebige mehrdimensionale Zustände zu erzeugen.

Das adaptive Optimierungsprotokoll konstruiert willkürliche mehrdimensionale Zustände zur Lösung von Quanteninformationsproblemen, die das Finden optimaler Werte experimenteller Parameter unter lauten Bedingungen erfordern.

Die Erzeugung mehrdimensionaler Quantenzustände in Quanteninformationsprotokollen bietet eine bessere Leistung in Anwendungen, die von sicherer Quantenkommunikation bis hin zu fehlertolerantem Quantencomputing reichen. Eine bedeutende Errungenschaft wäre die Entwicklung universeller Protokolle, die in der Lage sind, beliebige mehrdimensionale Quantenzustände zu konstruieren. Zu diesem Zweck wurden mehrere Strategien und Plattformen vorgeschlagen und entwickelt.

Unter einem vollständigen Black-Box-Szenario stimmt das von Wissenschaftlern der Sapienza-Universität vorgeschlagene Protokoll die geeigneten experimentellen Parameter ab, wobei es sich nur auf die gemessene Übereinstimmung zwischen dem produzierten und dem Zielzustand stützt, ohne dass der Erzeugungsaufbau beschrieben werden muss.

Schema einer automatisierten Plattform zum Konstruieren beliebiger Qudit-Zustände aus dem Bahndrehimpuls von Photonen. Experimentparameter werden adaptiv optimiert, um Zielzustände zu erzeugen.

Die Wissenschaftler testeten das Protokoll experimentell unter Verwendung des orbitalen Drehimpulses (OAM) von klassischem Licht und einzelnen Photonen. OAM ist der Freiheitsgrad eines elektromagnetischen Feldes in Verbindung mit seinem räumlichen und Phasenprofil. Da OUM ein unendlichdimensionaler Freiheitsgrad ist, eignet es sich zur Codierung beliebiger mehrdimensionaler Quantenzustände. Die Autoren implementierten das Protokoll experimentell unter Verwendung einer Zustandsgenerierungsplattform, die auf der Dynamik des Quantengangs in OAM und Polarisationsfreiheitsgraden basiert. Durch Anpassen der Parameter der Operatoren, die auf den Polarisationszustand einwirken, ist es möglich, einen beliebigen Fußgängerzustand zu entwerfen, der im OAM-Raum codiert ist. Der vorgeschlagene Optimierungsalgorithmus führt dann eine Online-Abstimmung der experimentellen Parameter durch, die die Dynamik bestimmen, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten.

Es hat sich gezeigt, dass das Optimierungsprotokoll unter lauten experimentellen Bedingungen für mehrere XNUMXD-Zielzustände des OUM gut funktioniert. Schließlich untersuchte das Team die Anpassbarkeit des Protokolls, indem es zeitveränderliches Rauschen als externen Einfluss auf Parameterwerte einführte. Das Protokoll fand nach Einführung dieser externen Störungen eine neue optimale Lösung. Das vorgeschlagene Protokoll ist unter einer Vielzahl von Umständen anwendbar, selbst bei Vorhandensein von Interferenzen, ohne dass eine signifikante Feinabstimmung erforderlich ist.

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