Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Bristol heeft aangetoond dat licht kan worden gebruikt om een ​​multifunctionele kwantumprocessor te implementeren.

Dit kleine apparaat kan worden gebruikt als een wetenschappelijk hulpmiddel om een ​​breed scala aan kwantuminformatie-experimenten uit te voeren, terwijl het tegelijkertijd de weg laat zien hoe volledig functionele kwantumcomputers kunnen worden ontwikkeld op basis van grootschalige fabricageprocessen.

Ze deden dit door een siliciumchip te ontwerpen die afzonderlijke lichtdeeltjes geleidt, fotonen genoemd in optische sporen die golfgeleiders worden genoemd om zogenaamde kwantumbits informatie te coderen die "qubits" worden genoemd.

Internationale inspanningen groeien om kwantumcomputers te ontwikkelen als de volgende stap in rekenkracht, om het soort taken dat computers voor ons kunnen oplossen te vergroten.

In de huidige desktopcomputers, supercomputers en smartphones, bits hebben de vorm van ofwel een "1" of een "0" en ze vormen de fundamentele bouwsteen waarop alle computers die momenteel in de samenleving worden gebruikt, zijn gebaseerd.

Quantumcomputers zijn in plaats daarvan gebaseerd op "qubits" die zich in een superpositie van de 0- en 1-toestanden kunnen bevinden. Meerdere qubits kunnen ook worden gekoppeld op een speciale manier die kwantumverstrengeling wordt genoemd. Deze twee kwantumfysische eigenschappen leveren de kracht aan kwantumcomputers.

Een uitdaging is om kwantumcomputerprocessors te maken die opnieuw kunnen worden geprogrammeerd om verschillende taken uit te voeren, net zoals we tegenwoordig computers hebben die opnieuw kunnen worden geprogrammeerd om verschillende toepassingen uit te voeren.

Een tweede uitdaging is hoe je een kwantumcomputer zo kunt maken dat de vele onderdelen ervan gemaakt kunnen worden met een zeer hoge kwaliteit en uiteindelijk tegen lage kosten.

Het Bristol-team heeft silicium-fotonische chips gebruikt om op grote schaal quantumcomputercomponenten te bouwen en het resultaat van vandaag:gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica , toont aan dat het mogelijk is om twee qubits aan informatie volledig te controleren binnen een enkele geïntegreerde chip. Dit betekent dat elke taak die kan worden bereikt met twee qubits, kan met het apparaat worden geprogrammeerd en gerealiseerd.

Hoofdauteur, Dr. Xiaogang Qiang, die het werk ondernam terwijl hij studeerde voor een Ph.D. aan de Universiteit van Bristol, en werkt nu aan de National University of Defense Technology in China, zei:"Wat we hebben gedemonstreerd, is een programmeerbare machine die veel verschillende taken kan uitvoeren.

"Het is een zeer primitieve processor, omdat het maar op twee qubits werkt, wat betekent dat er nog een lange weg te gaan is voordat we met deze technologie bruikbare berekeningen kunnen doen.

"Maar wat spannend is, is dat de verschillende eigenschappen van siliciumfotonica die kunnen worden gebruikt voor het maken van een kwantumcomputer, zijn gecombineerd in één apparaat.

"Dit is gewoon te ingewikkeld om fysiek te implementeren met licht met behulp van eerdere benaderingen."

De geïntegreerde fotonica-inspanning begon in 2008 en was een antwoord op de groeiende bezorgdheid dat individuele spiegels en optische elementen gewoon te groot en onstabiel zijn om de grote complexe circuits te realiseren die een kwantumcomputer zal bouwen.

Dr. Jonathan Matthews, een lid van het onderzoeksteam van de Quantum Engineering Technology (QET) Labs aan de Universiteit van Bristol, toegevoegd:"We moeten kijken hoe we kwantumcomputers kunnen maken van technologie die schaalbaar is, die technologie omvat waarvan we weten dat ze ongelooflijk precies op een enorme schaal kan worden gebouwd.

"We denken dat silicium een ​​veelbelovend materiaal is om dit te doen, deels vanwege alle investeringen die al zijn gedaan in de ontwikkeling van silicium voor de micro-elektronica- en fotonica-industrie. En de soorten apparaten die in Bristol zijn ontwikkeld, zoals die vandaag wordt gepresenteerd, laten zien hoe goed kwantumapparaten kunnen worden ontworpen.

"Een gevolg van de toenemende verfijning en functionaliteit van deze apparaten is dat ze een op zichzelf staand onderzoeksinstrument worden - we hebben dit apparaat gebruikt om verschillende kwantuminformatie-experimenten te implementeren met behulp van bijna 100, 000 verschillende opnieuw geprogrammeerde instellingen."

De studie is gepubliceerd in Natuurfotonica .