Een team van wetenschappers, onder leiding van professor Winfried Hensinger aan de Universiteit van Sussex, hebben een grote doorbraak bereikt met betrekking tot een van de grootste problemen waarmee kwantumcomputers worden geconfronteerd:hoe de verstorende effecten van omgevingslawaai op de zeer gevoelige functie van een grootschalige kwantumcomputer kunnen worden verminderd.

In de echte wereld, technologische ontwikkelingen moeten in onvolmaakte omstandigheden werken; wat met succes kan worden getest in een sterk gecontroleerd laboratorium kan mislukken als het wordt gepresenteerd met realistische omgevingsfactoren, zoals de schommelingen in de spanning van een elektronische component of verdwaalde elektromagnetische velden die worden uitgezonden door alledaagse elektronische apparatuur.

De Ion Quantum Technology Group van de University of Sussex is erin geslaagd om de effecten van dergelijke omgevingsgeluiden die van invloed zijn op kwantumcomputers met ingesloten ionen drastisch te verminderen. hun bevindingen rapporteren in een artikel dat vandaag, donderdag 1 november 2018, gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Het betekent dat het team een ​​stap dichter bij het bouwen van een grootschalige kwantumcomputer is met de mogelijkheid om uitdagende problemen uit de echte wereld op te lossen.

De momenteel bestaande kleinschalige kwantumcomputers bevatten slechts een handvol kwantumbits - componenten van kwantumcomputers die informatie opslaan en in meerdere toestanden kunnen bestaan. ook wel qubits genoemd. Als zodanig, de huidige kwantumcomputers zijn klein genoeg om te worden gebruikt in een sterk gecontroleerde omgeving in een gespecialiseerd laboratorium. Echter, dergelijke machines hebben vanwege het beperkte aantal qubits niet de rekenkracht die nodig is om complexe problemen op te lossen.

Wanneer gebouwd, grootschalige kwantumcomputers zullen in staat zijn om bepaalde problemen op te lossen die zelfs de snelste supercomputers miljarden jaren zouden kosten om te berekenen. Om een ​​kwantumcomputer te maken die dergelijke problemen kan oplossen, wetenschappers zullen het aantal qubits moeten verhogen, wat op zijn beurt de omvang van de kwantumcomputer zal vergroten. Het probleem is dat hoe meer qubits worden toegevoegd, hoe moeilijker het wordt om de computer te isoleren van elke realistische "ruis" die de computerprocessen zou verstoren.

Het team van natuurkundigen van de Universiteit van Sussex van Hensinger heeft een doorbraak in kwantumcomputers gemaakt die in staat is om een ​​aantal van deze problemen te verminderen. Ze werkten samen met theoretisch wetenschapper Dr. Florian Mintert en collega's van Imperial College London, die een theorie voorstelde over hoe je dit probleem zou kunnen oplossen door de vreemde kwantumeffecten te manipuleren die in een kwantumcomputer worden gebruikt. De theorie maakt het mogelijk - gebruikmakend van de vreemde eigenschappen van de kwantumfysica - om kwantumberekeningen zo uit te voeren dat veranderingen in de initiële operationele parameters van de machine niet leiden tot een substantiële verandering in het eindresultaat van de berekening. Dit helpt op zijn beurt om de kwantumcomputer te isoleren van de effecten van omgevingslawaai.

Dr. Sebastian Weidt, senior wetenschapper bij de Sussex Ion Quantum Technology Group, legt de betekenis uit:"Het realiseren van deze techniek kan een diepgaande invloed hebben op het vermogen om commerciële kwantumcomputers met ionenvangers te ontwikkelen die niet in een academisch laboratorium kunnen worden gebruikt."

Het team van Sussex ging aan de slag om te kijken of ze deze theorie ook daadwerkelijk konden implementeren. Ze gebruikten gecompliceerde radiofrequentie- en microgolfsignalen die in staat zijn om de kwantumeffecten te manipuleren die inherent zijn aan individuele geladen atomen (ionen), om dit in praktijkexperimenten aan te tonen. Hun implementatie is gebaseerd op microgolftechnologie, zoals die aanwezig is in mobiele telefoons. Na maanden intensief werken in het laboratorium, de wetenschappers van Sussex zijn erin geslaagd om deze nieuwe methode te realiseren, experimenteel aantonen dat het in staat is om het effect van "ruis" op een kwantumcomputer met ingesloten ionen aanzienlijk te verminderen.

Prof Hensinger, Hoofd van de Ion Quantum Technology Group aan de Universiteit van Sussex - die vorig jaar de eerste blauwdruk voor een grootschalige kwantumcomputer onthulde - zegt:"Met deze vooruitgang hebben we weer een praktische stap gezet in de richting van het bouwen van kwantumcomputers die miljoenen qubits kunnen hosten Dergelijke machines zijn in staat om bepaalde problemen op te lossen die zelfs de snelste supercomputer miljarden jaren nodig heeft om te berekenen en die van groot voordeel zijn voor de mensheid; ze kunnen ons misschien helpen nieuwe geneesmiddelen te maken, nieuwe behandelingen voor ziekten te vinden, zoals dementie; krachtige tools voor de financiële sector creëren; ten goede komen aan de landbouw, door een efficiëntere productie van kunstmest, naast vele andere toepassingen. We beginnen nu pas het enorme potentieel van deze machines te begrijpen."

De groep van Hensinger gebruikt deze nieuwe techniek nu terwijl ze de laatste hand leggen aan een krachtig prototype van een kwantumcomputer dat zich momenteel in hun laboratorium aan de Universiteit van Sussex bevindt.

Hensinger zegt:"Het is nu tijd om academische prestaties te vertalen naar de constructie van praktische machines. We bevinden ons in een fantastische positie om dit bij Sussex te doen en mijn team werkt de klok rond om grootschalige quantum computing een toekomstige realiteit te maken."