一個多機構的團隊利用已有的實驗和計算資源，在單個光學芯片上創造了一種測量在量子頻率梳（一種光子源）中編碼的高維量子比特的有效方法。儘管”qudit”這個詞可能看起來是個錯字，但這種不太知名的qubit（或稱量子比特）的相對物具有攜帶更多數據的能力和更強的抗噪能力，這是提高量子網絡、量子密鑰分發系統以及最終的量子互聯網的性能所需要的兩個關鍵特性。

傳統的計算機比特將數據分類為1或0，與之相反，量子比特可以持有1、0或兩者的值。這是由於疊加的原因，這種現象使幾個量子狀態同時存在。量子比特的”d”指的是可能被編碼在一個光子上的各種級別或數值。傳統的量子比特只有兩個層次，但通過增加更多層次，它們就變成了量子比特。

左起：Hsuan-Hao Lu和Joseph Lukens在ORNL量子實驗室工作。資料來源：Genevieve Martin/ORNL，美國能源部。

來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）、普渡大學和美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員最近完成了一對糾纏的八級量子比特的特徵分析，它們形成了一個64維的量子空間，使以前的離散頻率模式記錄翻了四倍。他們的發現最近發表在《自然通訊》雜誌上。

“我們一直都知道有可能利用光子的顏色或光頻率來編碼10級或20級的量子，甚至更高，但問題是測量這些粒子非常困難，”ORNL的博士後研究助理Hsuan-Hao Lu說。”這就是這篇論文的價值–我們發現了一種高效和新穎的技術，在實驗方面相對容易做到。”

當qudits被糾纏時甚至更難測量，這意味著無論它們之間的物理距離如何，它們都共享非經典的相關性。儘管有這些挑戰，頻率槽對，也就是兩個在頻率上糾纏在一起的光子形式的量子很適合攜帶量子信息，因為它們可以按照規定的路徑通過光纖而不被其環境明顯改變。

“我們將最先進的頻率槽對生產與最先進的光源結合起來，然後用我們的技術來描述高維量子糾纏，其精確程度是以前沒有顯示過的，”Wigner研究員和ORNL的研究科學家Joseph Lukens說。

研究人員開始了他們的實驗，將激光照射到一個微環諧振器上–這是一個由EPFL製造的圓形片上設備，旨在產生非經典光。這個強大的光子源佔據了1平方毫米的空間–大小與一支削尖的鉛筆的筆尖相當–並允許研究小組以量子頻率梳的形式產生頻率槽對。

通常情況下，qudit實驗需要研究人員構建一種稱為量子門的量子電路。但在這種情況下，研究小組使用一個電光相位調製器來混合不同頻率的光，並使用一個脈衝整形器來修改這些頻率的相位。這些技術在普渡大學Andrew Weiner領導的超快光學和光纖通信實驗室得到了廣泛的研究，Lu在加入ORNL之前曾在那裡學習。

這些光學設備在電信行業很常見，研究人員隨機進行這些操作，以捕捉許多不同的頻率相關性。據Lu說，這個過程就像擲出一對六面骰子，並記錄每個數字組合出現的次數–但現在骰子是相互糾纏在一起的。

“這種涉及相位調製器和脈衝整形器的技術，在超快和寬帶光子信號處理的經典背景下被大量追求，並被擴展到頻率量子化的大道上，”Weiner說。

為了向後推斷哪些量子態產生的頻率相關性是量子比特應用的理想選擇，研究人員在一種叫做貝葉斯推理的統計方法的基礎上開發了一個數據分析工具，並在ORNL進行計算機模擬。這項成就建立在該團隊以前的工作基礎上，重點是進行貝葉斯分析和重建量子狀態。

研究人員現在正在對他們的測量方法進行微調，為一系列的實驗做準備。通過通過光纖發送信號，他們旨在測試量子通信協議，如遠程傳輸，這是一種傳輸量子信息的方法，以及糾纏互換，這是糾纏兩個先前不相關的粒子的過程。

普渡大學的研究生Karthik Myilswamy計劃將微環諧振器帶到ORNL，這將使該團隊能夠在該實驗室的量子局域網上測試這些能力。Myilswamy說：”現在我們有一種方法可以有效地描述糾纏的頻率量子，我們可以進行其他面向應用的實驗。”