A kvantum-informatikai kísérletek egyik állandó nehézsége, hogy éppen azokat az állapotokat kell megóvniuk a külvilágtól, amelyek a számítás erejét adják. Egyetlen hőmérséklet-ingadozás, optikai veszteség vagy környezeti kölcsönhatás elegendő lehet ahhoz, hogy a részecskék közötti finom kvantumkapcsolatok eltűnjenek. A Louisiana State University kutatócsoportja ezért más irányból közelítette meg a problémát: különleges, nehezen előállítható kvantumfény helyett erős, könnyen kezelhető klasszikus fényt küldtek át egy optikai hálózaton, majd olyan detektorokkal vizsgálták, amelyek külön-külön meg tudják számolni az érkező fotonokat.
Az eredmény egy szobahőmérsékleten működő, jelentős zajt és fényveszteséget is elviselő többfotonos kvantumrezervoár lett. A rendszer legfeljebb negyven fotont tartalmazó állapottereket tudott kezelni, összetett kvantumdinamikai folyamatokat utánzott, majd ugyanazzal a rögzített optikai elrendezéssel hat különböző matematikai függvényt tanult meg közelíteni.
A „klasszikus fényből készült kvantumgép vagy kvantumtároló” megfogalmazás könnyen félreérthető. A hétköznapi lézerfény egészét általában klasszikus elektromágneses hullámként írhatjuk le, a detektor azonban nem folytonos energiamennyiséget észlel, hanem különálló fotonokat. Egy lézerimpulzusban a fotonok száma mérésenként természetes módon ingadozik: az egyik impulzusban kevesebb, a másikban több foton érkezhet. A kutatók fotonszámfeloldó detektorokat használtak, így kiválaszthatták és külön elemezhették azokat az eseményeket, amelyekben meghatározott számú foton vett részt.
A fényt eközben egy összekapcsolt optikai hálózaton vezették keresztül. A rendszer három tulajdonságot használt fel: a polarizációt, a fény térbeli eloszlását és a detektált fotonok számát. Ezek együttesen rendkívül nagy, sokféle lehetséges kimenetet tartalmazó állapotteret alkottak. A kísérleti berendezés 861 mérhető komponenst biztosított az információ feldolgozásához.
Ezen alapul a rezervoár-számítás. A módszerben nem kell a rendszer minden belső kapcsolatát külön beállítani. Az adat bekerül egy bonyolult fizikai hálózatba, amely sokféle módon alakítja át, majd a kutatók a kimeneti mintázat értelmezését tanítják be. Olyan ez, mintha egy kavicsot dobnánk egy szabálytalan alakú medencébe: a kialakuló hullámok rendkívül összetettek, de a felszínen megjelenő mintázatból megfelelő kiértékeléssel következtetni lehet arra, hol és milyen erővel érte a víz felszínét a kavics.
Az LSU berendezésében az optikai hálózat végezte el az összetett átalakításokat, a fotonszámláló detektorok pedig kiolvasták a különböző kimeneti állapotokat. A kutatók először kvantumszimulátorként vizsgálták a rendszert. Sikerült rekonstruálniuk egy kvantumos bolyongás jellegzetes szétterjedését még akkor is, amikor zajt vittek a hálózatba. Egy másik kísérletben a fény különböző állapotaiból létrehozott mesterséges rács a termalizáció és az antitermalizáció jelenségét utánozta. Előbbi során egy sokrészecskés rendszer fokozatosan az egyensúlyi állapot felé halad, míg az utóbbi esetben bizonyos ingadozások a megszokott kiegyenlítődés helyett rendezettebbé válhatnak.
Ezután az optikai hálózatot egyetlen véletlenszerű konfigurációban rögzítették, a bemeneti adatokat pedig a fény polarizációjába kódolták. A rendszer minden bemenetből összetett térbeli és fotonszám-mintázatot készített. Magát a fényutat nem kellett újra és újra átrendezni; csak a kimenet értelmezésére szolgáló matematikai réteget tanították. A berendezés hat, egymástól jelentősen eltérő függvényt tudott megtanulni, és a legerősebben nemlineáris feladatoknál javult a pontossága, amikor a kutatók a teljes fotonszámeloszlást felhasználták. Ez arra utal, hogy a magasabb rendű többfotonos összefüggések tényleges számítási erőforrást hordoznak.
A kísérletből ugyanakkor nem következik, hogy közönséges lézerfénnyel máris felépíthető egy általános célú, hibajavított kvantumszámítógép. A rendszer meghatározott szimulációs és gépi tanulási feladatokat végzett, és egyelőre nem bizonyították, hogy gyakorlati feladatokon olyan kvantumelőnyt nyújtana, amelyet egy klasszikus számítógép nem tudna gazdaságosan utánozni. A klasszikus fény használata önmagában nem teremti meg a kvantumos összefonódás minden formáját sem; a kvantumos leíráshoz a fotonszám szerinti kiválasztás, a többfotonos állapottér és a részecskéket egyenként feloldó mérés együtt szükséges.
A munka értéke abban rejlik, hogy átjárót épít a robusztus klasszikus optika és a többfotonos kvantum-információfeldolgozás között. A fényforrás szobahőmérsékleten működik, a hálózat nem igényel tökéletes elszigetelést, és a veszteség sem teszi azonnal használhatatlanná. A továbbfejlesztés legfontosabb korlátját várhatóan a gyorsabb, pontosabb és nagyobb fotonszámot kezelő detektorok jelentik. Ha ezek fejlődnek, ugyanaz az alapelv nagyobb állapotterek vizsgálatára, összetett fizikai rendszerek szimulációjára és speciális tanulási feladatokra is alkalmazható lehet.
Források: LSU/Phys.org, Advanced Science
