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Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4454 (2022) Citar este artigo

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Comparado a outros tipos de qubits, o fóton é único devido às suas vantagens incomparáveis ​​na troca de informações quânticas de longa distância. Portanto, o fóton é um candidato natural para a construção de um computador quântico óptico modular de grande escala operando à temperatura ambiente. No entanto, portas lógicas quânticas de dois fótons de baixa fidelidade e sua natureza probabilística resultam em uma grande sobrecarga de recursos para computação quântica tolerante a falhas. Embora o problema probabilístico possa, em princípio, ser resolvido empregando multiplexação e correção de erros, a fidelidade da porta lógica quântica linear-óptica é limitada pelas imperfeições de fótons individuais. Aqui, relatamos a demonstração de uma porta lógica quântica linear-óptica com fidelidade de tabela verdade de 99,84(3)% e fidelidade de porta emaranhada de 99,69(4)% pós-selecionada após a detecção de fótons. As altas fidelidades de porta alcançadas são possíveis graças à nossa fonte de fóton único Rydberg quase ideal. Nosso trabalho abre caminho para aplicações quânticas fotônicas escaláveis ​​baseadas em qubits de fóton único quase ideais e portas de fóton-fóton.

A operação de emaranhamento é um dos blocos de construção fundamentais para a computação quântica universal1,2. Uma porta lógica quântica probabilística de dois fótons anunciada é suficiente para alcançar a computação quântica linear-óptica escalável usando o esquema Knill-Laflamme-Milburn (KLM)3, embora com uma sobrecarga substancial de recursos. O modelo de estado de cluster4,5,6, que se baseia na medição local e alimenta um grande estado de cluster emaranhado, pode reduzir significativamente a sobrecarga de recursos7,8,9. Dado que a implementação de uma operação de emaranhamento determinística de dois fótons ainda é desafiadora em óptica linear, um grande estado de cluster emaranhado pode ser gerado pela fusão de uma coleção de pequenos clusters7, por exemplo, clusters de três fótons, de maneira balística8,10,11,12 . O consumo de recursos da computação do estado do cluster é então dominado pela preparação desses pequenos clusters13, que depende da eficiência e qualidade das fontes de fóton único e da capacidade de gerar emaranhamento com porta lógica quântica, ou seja, o fóton-fóton fidelidade de portão emaranhada.

Após a proposta inicial do KLM3, uma porta destrutiva opticamente controlada NOT (CNOT) (sem a operação da porta emaranhada) foi demonstrada experimentalmente em 2002, com uma fidelidade de tabela de verdade de 83%14. Qiang et ai. empregou um esquema óptico-linear diferente15 com quatro pares de fótons emaranhados como entrada e alcançou uma porta com 98,85% de fidelidade na tabela de verdade e 1/64 de probabilidade de sucesso intrínseco. A primeira operação de emaranhamento usando uma porta linear-óptica foi realizada em 2003, com uma probabilidade de sucesso intrínseca de 1/9 e uma fidelidade de porta de emaranhamento de 87%16. Erros relacionados à óptica, como incompatibilidade de modo de fóton e imperfeição de polarização, são reduzidos ao longo dos anos, e a fidelidade do portão de emaranhamento foi gradualmente aprimorada para ~ 94%17,18,19. Agora que muitas fontes técnicas de erro foram abordadas, o principal obstáculo para suprimir ainda mais a infidelidade do portão emaranhado está na qualidade das fontes de fóton único20. Por exemplo, para obter uma porta lógica quântica linear-óptica com infidelidade abaixo de 1%, os requisitos mínimos em uma fonte de fóton único são g(2)(0) < 7 × 10−3 e a indistinguibilidade superior a 99%. Até o momento, esses requisitos exigentes não foram alcançados simultaneamente pelas fontes de fóton único de última geração.

Recentemente, um progresso significativo foi feito em fontes de fóton único baseadas em átomos de Rydberg frios21,22,23,24. As fortes interações entre os átomos de Rydberg levam ao bloqueio da excitação25 e, portanto, à preparação eficiente da excitação atômica única, que pode ser convertida em fóton único de alta qualidade sob demanda26 por meio da transferência de estado quântico de matéria-luz.