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Nature Communications volume 13, numero articolo: 4454 (2022) Citare questo articolo

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Rispetto ad altri tipi di qubit, il fotone è unico nel suo genere grazie ai suoi ineguagliabili vantaggi nello scambio di informazioni quantistiche a lunga distanza. Pertanto, il fotone è un candidato naturale per la costruzione di un computer quantistico ottico modulare su larga scala che funzioni a temperatura ambiente. Tuttavia, le porte logiche quantistiche a due fotoni a bassa fedeltà e la loro natura probabilistica comportano un grande sovraccarico di risorse per il calcolo quantistico tollerante ai guasti. Mentre il problema probabilistico può, in linea di principio, essere risolto impiegando il multiplexing e la correzione degli errori, la fedeltà della porta logica quantistica lineare-ottica è limitata dalle imperfezioni dei singoli fotoni. Qui riportiamo la dimostrazione di una porta logica quantistica lineare-ottica con fedeltà della tabella di verità del 99,84 (3)% e fedeltà della porta entanglement del 99,69 (4)% post-selezionata al rilevamento dei fotoni. L'elevata fedeltà del gate raggiunta è resa possibile dalla nostra sorgente a fotone singolo Rydberg quasi ottimale. Il nostro lavoro apre la strada ad applicazioni quantistiche fotoniche scalabili basate su qubit a fotone singolo e porte fotone-fotone quasi ottimali.

L'operazione di entanglement è uno degli elementi fondamentali per il calcolo quantistico universale1,2. Una porta logica quantistica probabilistica a due fotoni è sufficiente per ottenere un calcolo quantistico lineare-ottico scalabile utilizzando lo schema Knill-Laflamme-Milburn (KLM)3, anche se con un sostanziale sovraccarico di risorse. Il modello cluster-state4,5,6, che si basa sulla misurazione locale e si basa su un ampio stato di cluster entangled, può ridurre significativamente il sovraccarico delle risorse7,8,9. Dato che l'implementazione di un'operazione deterministica di entanglement a due fotoni è ancora impegnativa in ottica lineare, un grande stato di cluster entangled può essere generato fondendo una raccolta di piccoli cluster7, ad esempio cluster di tre fotoni, in modo balistico8,10,11,12 . Il consumo di risorse per il calcolo dello stato del cluster è quindi dominato dalla preparazione di quei piccoli cluster13, che dipende dall'efficienza e dalla qualità delle sorgenti a fotone singolo e dalla capacità di generare entanglement con la porta logica quantistica, ovvero il fotone-fotone fedeltà del cancello intricato.

Dopo la proposta iniziale di KLM3, nel 2002 è stato dimostrato sperimentalmente un cancello distruttivo ottico controllato-NOT (CNOT) (senza il funzionamento del cancello entanglement), con una fedeltà della tabella della verità dell'83%14. Qiang et al. ha utilizzato un diverso schema ottico-lineare15 con quattro coppie di fotoni entangled come input e ha ottenuto un gate con una fedeltà della tabella di verità del 98,85% e una probabilità di successo intrinseca di 1/64. La prima operazione di entanglement utilizzando un gate ottico-lineare è stata realizzata nel 2003, con una probabilità di successo intrinseca di 1/9 e una fedeltà del gate entanglement dell'87%16. Gli errori legati all'ottica, come la mancata corrispondenza della modalità fotonica e l'imperfezione della polarizzazione, sono stati ridotti nel corso degli anni e la fedeltà del gate entanglement è stata gradualmente migliorata fino a circa il 94%17,18,19. Ora che molte fonti tecniche di errore sono state affrontate, il principale ostacolo per sopprimere ulteriormente l’infedeltà del cancello entanglement risiede nella qualità delle sorgenti a singolo fotone20. Ad esempio, per ottenere una porta logica quantistica lineare-ottica con infedeltà inferiore all'1%, i requisiti minimi su una sorgente a fotone singolo sono g(2)(0) <7 × 10−3 e l'indistinguibilità superiore al 99%. Finora, questi requisiti impegnativi non sono stati raggiunti contemporaneamente dalle sorgenti a fotone singolo all’avanguardia.

Recentemente sono stati compiuti progressi significativi nelle sorgenti a fotone singolo basate su atomi freddi di Rydberg21,22,23,24. Le forti interazioni tra gli atomi di Rydberg portano al blocco dell'eccitazione25 e quindi alla preparazione efficiente della singola eccitazione atomica, che può essere convertita in singolo fotone di alta qualità su richiesta26 attraverso il trasferimento dello stato quantico materia-luce.