Wetenschappers hebben een topologische fotonische chip ontwikkeld om kwantuminformatie te verwerken, veelbelovende een robuustere optie voor schaalbare kwantumcomputers.

Het onderzoeksteam, onder leiding van dr. Alberto Peruzzo van de RMIT University, heeft voor het eerst aangetoond dat kwantuminformatie kan worden gecodeerd, op afstand verwerkt en overgedragen met topologische circuits op de chip. Het onderzoek is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De doorbraak kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen, nieuwe generatie computers en een dieper begrip van fundamentele wetenschap.

In samenwerking met wetenschappers van de Politecnico di Milano en ETH Zürich, de onderzoekers gebruikten topologische fotonica - een snel groeiend veld dat de fysica van topologische fasen van materie in een nieuwe optische context wil bestuderen - om een ​​chip te fabriceren met een 'beamsplitter' die een zeer nauwkeurige fotonische kwantumpoort creëert.

"We verwachten dat het nieuwe chipontwerp de weg zal openen naar het bestuderen van kwantumeffecten in topologische materialen en naar een nieuw gebied van topologisch robuuste kwantumverwerking in geïntegreerde fotonica-technologie, " zegt Peruzzo, Chief Investigator bij het ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) en directeur, Quantum Fotonica Laboratorium, RMIT.

"Topologische fotonica heeft het voordeel dat er geen sterke magnetische velden nodig zijn, en beschikken over intrinsiek hoge coherentie, werking op kamertemperatuur en eenvoudige manipulatie", zegt Peruzzo.

"Dit zijn essentiële vereisten voor het opschalen van kwantumcomputers."

Door het bekende Hong-Ou-Mandel (HOM) experiment te repliceren, dat twee fotonen nodig heeft, de uiteindelijke bestanddelen van licht, en interfereren ze volgens de wetten van de kwantummechanica - het team was in staat om de fotonische chip te gebruiken om aan te tonen, Voor de eerste keer, dat topologische toestanden high-fidelity kwantuminterferentie kunnen ondergaan.

HOM-interferentie vormt de kern van optische kwantumberekening, die erg gevoelig is voor fouten. Topologisch beschermde toestanden kunnen de kwantumcommunicatie robuuster maken, afnemende ruis en defecten die gangbaar zijn in de kwantumtechnologie. Dit is vooral aantrekkelijk voor optische kwantuminformatieverwerking.

"Eerder onderzoek was gericht op topologische fotonica met behulp van 'klassiek' -laser-licht, die zich gedraagt ​​als een klassieke golf. Hier gebruiken we enkele fotonen, die zich gedragen volgens de kwantummechanica", zegt hoofdauteur Jean-Luc Tambasco, doctoraat student aan RMIT.

Het aantonen van high-fidelity kwantuminterferentie is een voorloper voor het verzenden van nauwkeurige gegevens met behulp van enkele fotonen voor kwantumcommunicatie - een essentieel onderdeel van een wereldwijd kwantumnetwerk.

"Dit werk kruist de twee bloeiende gebieden van kwantumtechnologie en topologische isolatoren en kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen, nieuwe generatie computers en fundamentele wetenschap", zegt Peruzzo.

Het onderzoek maakt deel uit van het Photonic Quantum Processor Program van CQC2T. Het Centre of Excellence ontwikkelt parallelle benaderingen met behulp van optische en siliciumprocessors in de race om het eerste kwantumberekeningssysteem te ontwikkelen.

De Australische onderzoekers van CQC2T hebben wereldwijd leiderschap gevestigd op het gebied van kwantuminformatie. Met het ontwikkelen van unieke technologieën voor het manipuleren van materie en licht op het niveau van individuele atomen en fotonen, het team heeft de hoogste trouw getoond, qubits met de langste coherentietijd in vaste toestand; het langstlevende kwantumgeheugen in de vaste toestand; en de mogelijkheid om kleinschalige algoritmen uit te voeren op fotonische qubits.