MIT-onderzoekers die supergeleidende kwantumbits gebruiken die zijn verbonden met een microgolftransmissielijn, hebben aangetoond hoe de qubits op verzoek de fotonen kunnen genereren, of lichtdeeltjes, nodig voor communicatie tussen quantumprocessors.

De vooruitgang is een belangrijke stap in de richting van het bereiken van de onderlinge verbindingen waarmee een modulair kwantumcomputersysteem bewerkingen kan uitvoeren met snelheden die exponentieel sneller zijn dan klassieke computers kunnen bereiken.

"Modulaire kwantumcomputing is een techniek om kwantumberekening op grote schaal te bereiken door de werklast te delen over meerdere verwerkingsknooppunten, " zegt Bharat Kannan, MIT-afgestudeerde fellow en eerste auteur van een paper over dit onderwerp dat vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . "Deze knooppunten, echter, zijn over het algemeen niet bij elkaar gelegen, dus we moeten kwantuminformatie tussen verre locaties kunnen communiceren."

Bij klassieke computers draden worden gebruikt om informatie heen en weer te leiden door een processor tijdens de berekening. In een kwantumcomputer de informatie zelf is kwantummechanisch en kwetsbaar, nieuwe strategieën nodig hebben om informatie tegelijkertijd te verwerken en te communiceren.

"Supergeleidende qubits zijn tegenwoordig een toonaangevende technologie, maar ze ondersteunen over het algemeen alleen lokale interacties (dichtstbijzijnde buur of qubits heel dichtbij). De vraag is hoe je verbinding kunt maken met qubits die zich op verre locaties bevinden, " zegt William Oliver, een universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica, MIT Lincoln Laboratorium collega, directeur van het Centrum voor Quantum Engineering, en associate director van het Research Laboratory of Electronics. "We hebben kwantuminterconnecties nodig, idealiter gebaseerd op microgolfgolfgeleiders die kwantuminformatie van de ene locatie naar de andere kunnen leiden."

Die communicatie kan plaatsvinden via de microgolftransmissielijn, of golfgeleider, omdat de excitaties die zijn opgeslagen in de qubits fotonparen genereren, die in de golfgeleider worden uitgezonden en vervolgens naar twee verre verwerkingsknooppunten reizen. Van de identieke fotonen wordt gezegd dat ze "verstrengeld zijn, " fungerend als één systeem. Terwijl ze naar verre verwerkingsknooppunten reizen, ze kunnen die verstrengeling door een kwantumnetwerk verspreiden.

"We genereren de verstrengelde fotonen op aanvraag met behulp van de qubits en geven de verstrengelde toestand vervolgens met zeer hoge efficiëntie vrij aan de golfgeleider, in wezen eenheid, ' zegt Olivier.

Het onderzoek gerapporteerd in de wetenschappelijke vooruitgang papier maakt gebruik van een relatief eenvoudige techniek, zegt Kannan.

"Ons werk presenteert een nieuwe architectuur voor het genereren van fotonen die op een zeer eenvoudige manier ruimtelijk verstrengeld zijn, met alleen een golfgeleider en een paar qubits, die fungeren als de fotonische emitters, "zegt Kannan. "De verstrengeling tussen de fotonen kan vervolgens worden overgebracht naar de processors voor gebruik in kwantumcommunicatie- of interconnectieprotocollen."

Hoewel de onderzoekers zeiden dat ze die communicatieprotocollen nog niet hebben geïmplementeerd, hun lopende onderzoek is in die richting gericht.

"We hebben de communicatie tussen processors in dit werk nog niet uitgevoerd, maar liet eerder zien hoe we fotonen kunnen genereren die nuttig zijn voor kwantumcommunicatie en interconnectie, ' zegt Kannan.

Eerder werk van Kannan, Olivier, en collega's introduceerden een golfgeleider-quantumelektrodynamica-architectuur met behulp van supergeleidende qubits die in wezen een soort kunstmatig gigantisch atoom zijn. Dat onderzoek toonde aan hoe een dergelijke architectuur kwantumberekeningen met lage fouten kan uitvoeren en kwantuminformatie tussen processors kan delen. Dit wordt bereikt door de frequentie van de qubits aan te passen om de qubit-golfgeleider-interactiesterkte af te stemmen, zodat de kwetsbare qubits kunnen worden beschermd tegen golfgeleider-geïnduceerde decoherentie om high-fidelity qubit-bewerkingen uit te voeren, en vervolgens de qubit-frequentie opnieuw aan te passen, zodat de qubits hun kwantuminformatie in de vorm van fotonen in de golfgeleider kunnen afgeven.

Dit artikel presenteerde het vermogen om fotonen te genereren van de kwantumelektrodynamica-architectuur van de golfgeleider, waaruit blijkt dat de qubits kunnen worden gebruikt als kwantumstralers voor de golfgeleider. De onderzoekers toonden aan dat kwantuminterferentie tussen de fotonen die in de golfgeleider worden uitgezonden verstrengelde, rondreizende fotonen die in tegengestelde richting reizen en kunnen worden gebruikt voor communicatie over lange afstand tussen kwantumprocessors.

Het genereren van ruimtelijk verstrengelde fotonen in optische systemen wordt meestal bereikt met behulp van spontane parametrische down-conversie en fotodetectoren, maar de op die manier gegenereerde verstrengeling is over het algemeen willekeurig en daarom minder nuttig om on-demand communicatie van kwantuminformatie in een gedistribueerd systeem mogelijk te maken.

"Modulariteit is een sleutelconcept van elk uitbreidbaar systeem, ", zegt Oliver. "Ons doel hier is om de elementen van kwantuminterconnecties te demonstreren die nuttig zouden moeten zijn in toekomstige kwantumprocessors."