Legeronderzoekers voorspellen dat kwantumcomputercircuits die niet langer extreem koude temperaturen nodig hebben om te functioneren, na ongeveer tien jaar werkelijkheid kunnen worden.

Voor jaren, solid-state kwantumtechnologie die werkt bij kamertemperatuur leek ver weg. Hoewel de toepassing van transparante kristallen met optische niet-lineariteiten naar voren was gekomen als de meest waarschijnlijke route naar deze mijlpaal, de plausibiliteit van een dergelijk systeem bleef altijd in het geding.

Nutsvoorzieningen, Legerwetenschappers hebben officieel de geldigheid van deze aanpak bevestigd. Dr. Kurt Jacobs, van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command, samen met Dr. Mikkel Heuck en Prof. Dirk Englund, van het Massachusetts Institute of Technology, werd de eerste die de haalbaarheid aantoonde van een kwantumlogische poort bestaande uit fotonische circuits en optische kristallen.

"Als toekomstige apparaten die kwantumtechnologieën gebruiken, moeten worden gekoeld tot zeer lage temperaturen, dan worden ze duur, omvangrijk, en hongerig naar macht, "Zei Heuck. "Ons onderzoek is gericht op het ontwikkelen van toekomstige fotonische circuits die de verstrengeling die nodig is voor kwantumapparaten bij kamertemperatuur kunnen manipuleren."

Quantumtechnologie biedt een scala aan toekomstige ontwikkelingen op het gebied van computergebruik, communicatie en teledetectie.

Om elke taak te volbrengen, traditionele klassieke computers werken met volledig bepaalde informatie. De informatie wordt in vele bits opgeslagen, die elk aan of uit kunnen zijn. Een klassieke computer, wanneer een invoer wordt gegeven die wordt gespecificeerd door een aantal bits, kan deze input verwerken tot een antwoord, die ook wordt gegeven als een aantal bits. Een klassieke computer verwerkt één invoer tegelijk.

In tegenstelling tot, kwantumcomputers slaan informatie op in qubits die zich in een vreemde staat kunnen bevinden, waarbij ze tegelijkertijd aan en uit zijn. Hierdoor kan een kwantumcomputer de antwoorden op veel inputs tegelijkertijd onderzoeken. Hoewel het niet alle antwoorden tegelijk kan weergeven, het kan relaties tussen deze antwoorden weergeven, waardoor het sommige problemen veel sneller kan oplossen dan een klassieke computer.

Helaas, een van de grootste nadelen van kwantumsystemen is de kwetsbaarheid van de vreemde toestanden van de qubits. De meeste toekomstige hardware voor kwantumtechnologie moet bij extreem lage temperaturen worden bewaard - bijna nul kelvin - om te voorkomen dat de speciale toestanden worden vernietigd door interactie met de computeromgeving.

"Elke interactie die een qubit heeft met iets anders in zijn omgeving, zal zijn kwantumtoestand beginnen te vervormen, "Zei Jacobs. "Bijvoorbeeld, als de omgeving een gas van deeltjes is, als je het heel koud houdt, blijven de gasmoleculen langzaam bewegen, zodat ze niet zo vaak in de kwantumcircuits botsen."

Onderzoekers hebben verschillende pogingen ondernomen om dit probleem op te lossen, maar een definitieve oplossing is nog niet gevonden. Momenteel, fotonische circuits die niet-lineaire optische kristallen bevatten, zijn momenteel naar voren gekomen als de enige haalbare route naar kwantumcomputing met solid-state systemen bij kamertemperatuur.

"Fotonische circuits lijken een beetje op elektrische circuits, behalve dat ze licht manipuleren in plaats van elektrische signalen, ' zei Englund. 'Bijvoorbeeld, we kunnen kanalen maken in een transparant materiaal dat fotonen naar beneden zullen reizen, een beetje zoals elektrische signalen die langs draden reizen."

In tegenstelling tot kwantumsystemen die ionen of atomen gebruiken om informatie op te slaan, kwantumsystemen die fotonen gebruiken, kunnen de koude-temperatuurbeperking omzeilen. Echter, de fotonen moeten nog steeds interageren met andere fotonen om logische bewerkingen uit te voeren. Dit is waar de niet-lineaire optische kristallen in het spel komen.

Onderzoekers kunnen holtes in de kristallen maken die tijdelijk fotonen binnenin opsluiten. Door deze methode, het kwantumsysteem kan twee verschillende mogelijke toestanden vaststellen die een qubit kan bevatten:een holte met een foton (aan) en een holte zonder een foton (uit). Deze qubits kunnen dan kwantumlogische poorten vormen, die het kader scheppen voor de vreemde staten.

Met andere woorden, onderzoekers kunnen de onbepaalde toestand of een foton zich al dan niet in een kristalholte bevindt, gebruiken om een ​​qubit weer te geven. De logische poorten werken samen op twee qubits, en kan "kwantumverstrengeling" tussen hen creëren. Deze verstrengeling wordt automatisch gegenereerd in een kwantumcomputer, en is vereist voor kwantumbenaderingen van toepassingen in detectie.

Echter, wetenschappers baseerden het idee om kwantumlogische poorten te maken met behulp van niet-lineaire optische kristallen volledig op speculatie - tot nu toe. Hoewel het een enorme belofte toonde, er bleef twijfel bestaan ​​of deze methode zelfs tot praktische logische poorten zou kunnen leiden.

De toepassing van niet-lineaire optische kristallen was in het geding gebleven totdat onderzoekers van het laboratorium van het leger en MIT een manier presenteerden om met deze benadering een kwantumlogische poort te realiseren met behulp van gevestigde fotonische circuitcomponenten.

"Het probleem was dat als je een foton in een kanaal hebt, het foton heeft een 'golfpakket' met een bepaalde vorm, "Zei Jacobs. "Voor een kwantumpoort, je hebt de fotongolfpakketten nodig om hetzelfde te blijven na de operatie van de poort. Omdat niet-lineariteiten golfpakketten vervormen, de vraag was of je het golfpakket in holtes kon laden, laat ze interageren via een niet-lineariteit, en zenden dan de fotonen opnieuw uit zodat ze dezelfde golfpakketten hebben als waarmee ze begonnen."

Toen ze de kwantumlogica-poort ontwierpen, de onderzoekers voerden talloze computersimulaties uit van de werking van de poort om aan te tonen dat het kon, in theorie, adequaat functioneren. De daadwerkelijke constructie van een kwantumlogische poort met deze methode vereist eerst aanzienlijke verbeteringen in de kwaliteit van bepaalde fotonische componenten, aldus onderzoekers.

"Op basis van de vooruitgang die de afgelopen tien jaar is geboekt, we verwachten dat het ongeveer tien jaar zal duren voordat de noodzakelijke verbeteringen zijn gerealiseerd, "Zei Heuck. "Echter, het proces van het laden en uitzenden van een golfpakket zonder vervorming is iets dat we zouden moeten kunnen realiseren met de huidige experimentele technologie, en dat is dus een experiment waar we de volgende keer aan gaan werken."

Fysieke beoordelingsbrieven publiceerde de bevindingen van het team in een peer-reviewed artikel op 20 april.