Een van de belangrijkste concepten in de kwantumfysica is verstrengeling, waarin twee of meer kwantumsystemen zo onlosmakelijk met elkaar verbonden raken dat hun collectieve toestand niet kan worden bepaald door elk element afzonderlijk te observeren. Nu hebben Yale-onderzoekers een "universele verstrengeling" ontwikkeld die op verzoek een verscheidenheid aan gecodeerde deeltjes kan koppelen.

De ontdekking vertegenwoordigt een krachtig nieuw mechanisme met mogelijke toepassingen in kwantumcomputers, cryptografie, en kwantumcommunicatie. Het onderzoek wordt geleid door het Yale-laboratorium van Robert Schoelkopf en verschijnt in het tijdschrift Natuur .

Kwantumberekeningen worden uitgevoerd met delicate stukjes data die qubits worden genoemd, die gevoelig zijn voor fouten. Om getrouwe kwantumberekeningen te implementeren, wetenschappers zeggen, ze hebben "logische" qubits nodig waarvan de fouten kunnen worden gedetecteerd en verholpen met behulp van kwantumfoutcorrectiecodes.

"We hebben een nieuwe manier getoond om poorten te creëren tussen logisch gecodeerde qubits die uiteindelijk foutgecorrigeerd kunnen worden, " zei Schölkopf, de Sterling Professor of Applied Physics and Physics aan Yale en directeur van het Yale Quantum Institute. "Het is een veel geavanceerdere operatie dan wat eerder is uitgevoerd."

Het verstrengelingsmechanisme wordt een exponentiële SWAP-poort genoemd. In de studie, onderzoekers demonstreerden de nieuwe technologie door gecodeerde toestanden deterministisch te verstrengelen in willekeurige configuraties of codes, elk gehuisvest in twee anders geïsoleerde, 3D supergeleidende microgolfholten.

"Deze universele verstrengeling is van cruciaal belang voor robuuste kwantumberekeningen, " zei Yvonne Gao, co-eerste auteur van de studie. "Wetenschappers hebben een schat aan hardware-efficiënte, kwantumfoutcorrectiecodes - elk slim ontworpen met unieke kenmerken die voor verschillende toepassingen kunnen worden benut. Echter, elk van hen vereist een nieuwe set van op maat gemaakte operaties, het introduceren van een aanzienlijke hardware-overhead en verminderde veelzijdigheid."

De universele verstrengeling verzacht deze beperking door een poort te bieden tussen elke gewenste ingangstoestand. "We kunnen nu elke gewenste codes kiezen of ze zelfs on-the-fly wijzigen zonder de operatie opnieuw te hoeven bedraden, ", zei co-eerste auteur Brian Lester.

De ontdekking is slechts de laatste stap in het kwantumonderzoek van Yale. Wetenschappers van Yale lopen voorop bij de ontwikkeling van de eerste volledig bruikbare kwantumcomputers en hebben baanbrekend werk verricht in kwantumcomputing met supergeleidende circuits.