Wetenschappers in Australië hebben voor het eerst de bescherming aangetoond van gecorreleerde toestanden tussen gepaarde fotonen - pakketten lichtenergie - met behulp van het intrigerende fysieke concept van topologie. Deze experimentele doorbraak opent de weg om een ​​nieuw type kwantumbit te bouwen, de bouwstenen voor kwantumcomputers.

Het onderzoek, ontwikkeld in nauwe samenwerking met Israëlische collega's, wordt vandaag gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift, Wetenschap , een erkenning van het fundamentele belang van dit werk.

"We kunnen nu een pad voorstellen om robuuste verstrengelde toestanden voor logische poorten te bouwen met behulp van beschermde paren fotonen, " zei hoofdauteur Dr. Andrea Blanco-Redondo van het Nano Institute van de Universiteit van Sydney.

Logische poorten zijn de schakelaars die nodig zijn om algoritmen te bedienen die zijn geschreven voor kwantumcomputers. Klassieke rekenkundige schakelaars zijn in eenvoudige binaire vormen van nul of één. Kwantumschakelaars bestaan ​​in een staat van 'superpositie' die nul en één combineren.

Het lang genoeg beschermen van kwantuminformatie zodat kwantummachines nuttige berekeningen kunnen uitvoeren, is een van de grootste uitdagingen in de moderne natuurkunde. Nuttige kwantumcomputers hebben miljoenen of miljarden qubits nodig om informatie te verwerken. Tot dusver, de beste experimentele apparaten hebben ongeveer 20 qubits.

Om het potentieel van kwantumtechnologie te ontketenen, wetenschappers moeten een manier vinden om de verstrengelde superpositie van kwantumbits - of qubits - op nanoschaal te beschermen. Pogingen om dit te bereiken met behulp van supergeleiders en ingesloten ionen zijn veelbelovend gebleken, maar ze zijn zeer gevoelig voor elektromagnetische interferentie, waardoor ze duivels moeilijk op te schalen tot bruikbare machines.

Het gebruik van fotonen - pakketten lichtenergie - in plaats van elektronen is een voorgesteld alternatief om logische poorten te bouwen die kwantumalgoritmen kunnen berekenen.

fotonen, in tegenstelling tot elektronen, zijn goed geïsoleerd van de thermische en elektromagnetische omgeving. Echter, het schalen van kwantumapparaten op basis van fotonische qubits is beperkt vanwege verstrooiingsverlies en andere fouten; tot nu.

"Wat we hebben gedaan, is een nieuwe roosterstructuur van silicium nanodraden ontwikkelen, het creëren van een bepaalde symmetrie die ongewone robuustheid geeft aan de correlatie van de fotonen. De symmetrie helpt bij het creëren en begeleiden van deze gecorreleerde toestanden, bekend als 'randmodi', " zei Dr. Blanco-Redondo, de Messel Research Fellow in de School of Physics.

"Deze robuustheid komt voort uit de onderliggende topologie, een globale eigenschap van het rooster dat onveranderd blijft tegen wanorde."

De correlatie die dit oplevert, is nodig om verstrengelde toestanden voor kwantumpoorten te bouwen.

Kanalen, of golfgeleiders, gemaakt met silicium nanodraden van slechts 500 nanometer breed, stonden in paren opgesteld met een opzettelijk defect in symmetrie door het midden, het creëren van twee roosterstructuren met verschillende topologieën en een tussenliggende 'rand'.

Deze topologie maakt het mogelijk om speciale modi te creëren waarin de fotonen kunnen paren - 'edge-modi' genoemd. Met deze modi kan informatie die door de gepaarde fotonen wordt gedragen op een robuuste manier worden getransporteerd die anders zou zijn verspreid en verloren over een uniform rooster.

Dr. Blanco-Redondo ontwierp en voerde het experiment uit in de Sydney Nanoscience Hub met Dr. Bryn Bell, voorheen aan de Universiteit van Sydney en nu aan de Universiteit van Oxford.

De fotonen zijn gemaakt door hoge intensiteit, ultrakorte laserpulsen, dezelfde onderliggende technologie waarvoor Donna Strickland en Gerard Mourou de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2018 kregen.

Dit onderzoek is het laatste in de bloei van ontdekkingen in het afgelopen decennium over topologische toestanden van materie. Deze topologische kenmerken bieden bescherming voor klassieke en kwantuminformatie op uiteenlopende gebieden als elektromagnetisme, gecondenseerde materie, akoestiek en koude atomen.

Microsoft Quantum Laboratoria, waaronder die in Sydney, streven naar de ontwikkeling van op elektronen gebaseerde qubits waar kwantuminformatie topologisch wordt beschermd via het knopen van quasideeltjes die bekend staan ​​als Majorana-fermionen. Dit lijkt een beetje op het vlechten van halve elektronentoestanden die worden geïnduceerd door de interactie van supergeleiders en halfgeleidende metalen.

Topologisch beschermde toestanden zijn eerder aangetoond voor enkele fotonen.

Echter, Dr. Blanco-Redondo zei:"Kwantuminformatiesystemen zullen afhankelijk zijn van multifoton-toestanden, benadrukt het belang van deze ontdekking voor verdere ontwikkeling."

Ze zei dat de volgende stap zal zijn om de bescherming van de fotonenverstrengeling te verbeteren om robuuste, schaalbare kwantumlogische poorten.

Professor Stephen Bartlett, een theoretische kwantumfysicus bij Sydney Nano die geen verband houdt met de studie, zei:"Het resultaat van Dr. Blanco-Redondo is op een fundamenteel niveau opwindend omdat het het bestaan ​​​​aantoont van beschermde modi die aan de grens van een topologisch geordend materiaal zijn bevestigd.

"Wat het betekent voor kwantumcomputing is onduidelijk omdat het nog in de kinderschoenen staat. Maar de hoop is dat de bescherming die door deze edge-modi wordt geboden, kan worden gebruikt om fotonen te beschermen tegen de soorten ruis die problematisch zijn voor kwantumtoepassingen."