Ha az optikai kvantumszámításokat kirakós játékhoz hasonlítjuk, akkor a Washington Egyetem (St. Louis) szakemberei a puzzle újabb hiányzó darabját találták meg.

Jung-Tsun Shen, a felsőoktatási intézmény kutatója ugyanis a fény egyik új formáját kihasználó, a jelenlegi technológiánál nagyságrendekkel hatékonyabb kétbites kvantumlogikai kaput fejlesztett.

A kvantumszámítógépekben rejlő potenciál kiaknázása két szokatlan jelenségtől, a szuperpozíciótól és az összefonódástól függ: ezek a gépek szimultán lehetnek több állapotban, illetve két, egymáshoz fizikailag nem kapcsolódó részecske úgy viselkedik, mintha kapcsolatban állnának egymással.

Hagyományos számítógépeknél a feszültség határozza meg a bit értékét (1 vagy 0), a bitek kvantummegfelelői az egyedi elektronok, a qubitek. Az elektronok a célnak megfelelő több tulajdonsággal rendelkeznek: elektromos vagy mágneses mező hatására könnyen manipulálhatók, interakcióba lépnek egymással. Az interakció nagyon fontos előny, ha két qubit összefonódására van szükség.

Az interakcióra való hajlamuk azonban problémás is lehet, mert túl sok külső erő befolyásolhatja őket, és így jóval nehezebben kontrollálhatók.

Két évtizede sok tudós fotonokat használ elektronok helyett. De mivel a fotonoknak nincs töltésük, fordított probléma merül fel: sem a környezettel, sem egymással nem lépnek interakcióba. Pedig szükség lenne rá, és az egymás közötti interakcióik kivitelezése a klasszikus megközelítés szerint pont ezért komoly kihívás.

A 2010-es évek elején kutatók méréseiből kiderült, hogy ha nincsenek is összefonódva, amikor a fotonok belépnek a logikai kapun, időnként úgy viselkednek, mintha mégis össze lennének fonódva.

„A kvantummechanika nem nehéz dolog, viszont tele van meglepetésekkel” – jelentette ki Shen.

Ilyen – óriási – meglepetés volt a mérések eredménye. Egymillió fotonból viszont csak egy pár fonódik össze – derült ki először. Azóta a kutatások sikeresebbek, de működő, másodpercenként többmilliárd műveletet végrehajtó számítógépekhez az újabb (nagyobb) számok sem elegendők.

Shen a kvantum fotonállapotok új osztályának – a térben és gyakran összekapcsolódó fotonoknak, „fotonikus dimereknek” – a 2013-as felfedezése miatt tudott kétbites logikai kaput építeni. Ehhez az új fényformához talált alkalmazásokat.

Ha egy foton belép a logikai kapun, semmi érdemleges nem történik: bemegy, kijön. Ha viszont két foton lép be, új állapot teremtődik, és Shen szerint ez a lényeg. Speciális, kontrollált fázisú kaput dolgoztak ki, és a kimenő két foton a bemenők negatív állapotába került.

„Klasszikus áramköröknél nincs mínuszjel. Kiderült azonban, hogy a kvantumszámításokban van, létezik és kulcsfontosságú a mínuszjel” – magyarázza Shen.

Amikor két egymástól független, két optikai qubitet reprezentáló foton belép a logikai kapun, létrejön az új kvantum fotonállapot. Ez teszi lehetővé, hogy a kimeneti állapot a működéshez nélkülözhetetlen pontos jellel rendelkezzen.

Shen a Michigan Egyetemen teszteli fejlesztését, és az eddigi eredmények bizakodásra adnak okot.