Informația cuantică cu variabilă continuă

Informația cuantică cu variabilă continuă (CV) este domeniul științei informației cuantice care utilizează observabile fizice, cum ar fi puterea unui câmp electromagnetic, ale cărui valori numerice aparțin intervalelor continue.[1][2][3] O aplicație principală este calculul cuantic. Într-un sens, calculul cuantic cu variabilă continuă este „analogic”, în timp ce calculul cuantic folosind qubiți este „digital”. În termeni mai tehnici, primul folosește spații Hilbert care sunt infinit-dimensionale, în timp ce spațiile Hilbert pentru sistemele care cuprind colecții de qubiți sunt dimensionale finite.[4] O motivație pentru studierea calculului cuantic cu variabilă continuă este de a înțelege ce resurse sunt necesare pentru a face calculatoarele cuantice mai puternice decât cele clasice.[5]

Implementarea

O abordare a implementării protocoalelor de informație cuantică cu variabilă continuă în laborator este prin tehnicile opticii cuantice.[6][7][8] Prin modelarea fiecărui mod al câmpului electromagnetic ca un oscilator armonic cuantic cu operatorii săi de creare și anihilare asociați, se definește o pereche de variabile conjugată canonic pentru fiecare mod, așa-numitele „quadraturi”, care joacă rolul de observabile de poziție și impuls. Aceste observabile stabilesc un spațiu de fază pe care pot fi definite distribuțiile de cvasiprobabilitate Wigner. Măsurătorile cuantice pe un astfel de sistem pot fi efectuate folosind detectoare homodine și heterodine.

Teleportarea cuantică a informațiilor cuantice cu variabilă continuă a fost realizată prin metode optice în 1998.[9][10] (Știința a considerat acest experiment unul dintre cele mai bune 10 progrese ale anului.[11]) În 2013, tehnicile de optică cuantică au fost folosite pentru a crea o „stare de cluster”, un tip de pregătire esențială pentru unidirecționare (măsurare- bazată pe) calcul cuantic, care implică peste 10.000 de moduri temporale insparate, disponibile câte două.[12] Într-o altă implementare, 60 de moduri au fost inseparate simultan în domeniul frecvenței, în pieptene de frecvență optică al unui oscilator optic parametric.[13]

O altă propunere este modificarea computerului cuantic cu capcană de ioni: în loc să stocați un singur qubit în nivelurile de energie internă ale unui ion, s-ar putea folosi, în principiu, poziția și impulsul ionului ca variabile cuantice continue.[14]

Aplicații

Sistemele cuantice cu variabile continue pot fi utilizate pentru criptografia cuantică și, în special, pentru distribuția cheilor cuantice.[1] Calculul cuantic este o altă aplicație potențială și au fost luate în considerare o varietate de abordări.[1] Prima metodă, propusă de Seth Lloyd și Samuel L. Braunstein în 1999, a fost în tradiția modelului de circuit: porțile logice cuantice sunt create de hamiltonieni care, în acest caz, sunt funcții pătratice ale cuadratrărilor oscilatorului armonic.[5] ] Mai târziu, calculul cuantic bazat pe măsurare a fost adaptat la stabilirea spațiilor Hilbert cu dimensiuni infinite.[15][16] Totuși, un al treilea model de calcul cuantic cu variabilă continuă codifică sisteme cu dimensiuni finite (colecții de qubiți) în cele cu dimensiuni infinite. Acest model se datorează lui Daniel Gottesman, Alexei Kitaev și John Preskill.[17]

Referințe

1. Weedbrook, Christian; Pirandola, Stefano; García-Patrón, Raúl; Cerf, Nicolas J.; Ralph, Timothy C.; Shapiro, Jeffrey H.; Lloyd, Seth (2012-05-01). „Gaussian quantum information”. Reviews of Modern Physics. 84 (2): 621–669. arXiv:1110.3234. Bibcode:2012RvMP…84..621W. doi:10.1103/RevModPhys.84.621. S2CID 119250535.
2. Braunstein, Samuel L.; van Loock, Peter (2005-06-29). „Quantum information with continuous variables”. Reviews of Modern Physics. 77 (2): 513–577.arXiv:quant-ph/0410100. Bibcode:2005RvMP…77..513B. doi:10.1103/RevModPhys.77.513. S2CID 118990906.
3. Adesso, Gerardo; Ragy, Sammy; Lee, Antony R. (2014-03-12). „Continuous Variable Quantum Information: Gaussian States and Beyond”. Open Systems & Information Dynamics. 21 (1n02): 1440001.arXiv:1401.4679. doi:10.1142/S1230161214400010. ISSN 1230-1612. S2CID 15318256.
4. Braunstein, S. L.; Pati, A. K. (2012-12-06). Quantum Information with Continuous Variables. Springer Science & Business Media. CiteSeerX 10.1.1.762.4959. doi:10.1007/978-94-015-1258-9. ISBN 9789401512589.
5. Lloyd, Seth; Braunstein, Samuel L. (1999-01-01). „Quantum Computation over Continuous Variables”. Physical Review Letters. 82 (8): 1784–1787.arXiv:quant-ph/9810082. Bibcode:1999PhRvL..82.1784L. doi:10.1103/PhysRevLett.82.1784. S2CID 119018466.
6. Bartlett, Stephen D.; Sanders, Barry C. (2002-01-01). „Universal continuous-variable quantum computation: Requirement of optical nonlinearity for photon counting”. Physical Review A. 65 (4): 042304.arXiv:quant-ph/0110039. Bibcode:2002PhRvA..65d2304B. doi:10.1103/PhysRevA.65.042304. S2CID 118896298.
7. Menicucci, Nicolas C.; Flammia, Steven T.; Pfister, Olivier (2008-07-14). „One-way quantum computing in the optical frequency comb”. Physical Review Letters. 101 (13): 130501.arXiv:0804.4468. Bibcode:2008PhRvL.101m0501M. doi:10.1103/PhysRevLett.101.130501. PMID 18851426. S2CID 1307950.
8. Tasca, D. S.; Gomes, R. M.; Toscano, F.; Souto Ribeiro, P. H.; Walborn, S. P. (2011-01-01). „Continuous-variable quantum computation with spatial degrees of freedom of photons”. Physical Review A. 83 (5): 052325.arXiv:1106.3049. Bibcode:2011PhRvA..83e2325T. doi:10.1103/PhysRevA.83.052325. S2CID 118688635.
9. Furusawa, A.; Sørensen, J. L.; Braunstein, S. L.; Fuchs, C. A.; Kimble, H. J.; Polzik, E. S. (1998-10-23). „Unconditional Quantum Teleportation”. Science. 282 (5389): 706–709. Bibcode:1998Sci…282..706F. doi:10.1126/science.282.5389.706. ISSN 0036-8075. PMID 9784123.
10. Braunstein, Samuel L.; Fuchs, Christopher A.; Kimble, H. J. (2000-02-01). „Criteria for continuous-variable quantum teleportation”. Journal of Modern Optics. 47 (2–3): 267–278.arXiv:quant-ph/9910030. Bibcode:2000JMOp…47..267B. doi:10.1080/09500340008244041. ISSN 0950-0340. S2CID 16713029.
11. „The Runners-Up: The News and Editorial Staffs”. Science. 282 (5397): 2157–2161. 1998-12-18. Bibcode:1998Sci…282.2157.. doi:10.1126/science.282.5397.2157. ISSN 0036-8075. S2CID 220101560.
12. Yokoyama, Shota; Ukai, Ryuji; Armstrong, Seiji C.; Sornphiphatphong, Chanond; Kaji, Toshiyuki; Suzuki, Shigenari; Yoshikawa, Jun-ichi; Yonezawa, Hidehiro; Menicucci, Nicolas C. (2013). „Ultra-large-scale continuous-variable cluster states multiplexed in the time domain”. Nature Photonics. 7 (12): 982–986.arXiv:1306.3366. Bibcode:2013NaPho…7..982Y. doi:10.1038/nphoton.2013.287. S2CID 53575929.
13. Chen, Moran; Menicucci, Nicolas C.; Pfister, Olivier (2014-03-28). „Experimental realization of multipartite entanglement of 60 modes of a quantum optical frequency comb”. Physical Review Letters. 112 (12): 120505.arXiv:1311.2957. Bibcode:2014PhRvL.112l0505C. doi:10.1103/PhysRevLett.112.120505. PMID 24724640. S2CID 18093254.
14. Ortiz-Gutiérrez, Luis; Gabrielly, Bruna; Muñoz, Luis F.; Pereira, Kainã T.; Filgueiras, Jefferson G.; Villar, Alessandro S. (2017-08-15). „Continuous variables quantum computation over the vibrational modes of a single trapped ion”. Optics Communications. 397: 166–174.arXiv:1603.00065. Bibcode:2017OptCo.397..166O. doi:10.1016/j.optcom.2017.04.011. S2CID 118617424.
15. Menicucci, Nicolas C.; van Loock, Peter; Gu, Mile; Weedbrook, Christian; Ralph, Timothy C.; Nielsen, Michael A. (2006-09-13). „Universal Quantum Computation with Continuous-Variable Cluster States”. Physical Review Letters. 97 (11): 110501. arXiv:quant-ph/0605198. Bibcode:2006PhRvL..97k0501M. doi:10.1103/PhysRevLett.97.110501. PMID 17025869. S2CID 14715751.
16. Zhang, Jing; Braunstein, Samuel L. (2006-03-16). „Continuous-variable Gaussian analog of cluster states”. Physical Review A. 73 (3): 032318.arXiv:quant-ph/0501112. Bibcode:2006PhRvA..73c2318Z. doi:10.1103/PhysRevA.73.032318. S2CID 119511825.
17. Gottesman, Daniel; Kitaev, Alexei; Preskill, John (2001-06-11). „Encoding a qubit in an oscillator”. Physical Review A. 64 (1): 012310. arXiv:quant-ph/0008040. Bibcode:2001PhRvA..64a2310G. doi:10.1103/PhysRevA.64.012310. S2CID 18995200.

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)