De huidige kwantumcomputers bevatten tot enkele tientallen geheugen- en verwerkingseenheden, de zogenaamde qubits. Severin Daiss, Stefan Langenfeld, en collega's van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching hebben met succes twee van dergelijke qubits in verschillende laboratoria met elkaar verbonden met een gedistribueerde kwantumcomputer door de qubits te verbinden met een 60 meter lange optische vezel. Over zo'n afstand realiseerden ze een kwantumlogische poort - de basisbouwsteen van een kwantumcomputer. Het maakt het systeem wereldwijd het eerste prototype van een gedistribueerde kwantumcomputer.

De beperkingen van eerdere qubit-architecturen

Kwantumcomputers verschillen aanzienlijk van traditionele "binaire" computers:toekomstige realisaties ervan zullen naar verwachting gemakkelijk specifieke berekeningen uitvoeren waarvoor traditionele computers maanden of zelfs jaren zouden duren, bijvoorbeeld op het gebied van gegevensversleuteling en -ontsleuteling. Terwijl de prestaties van binaire computers het gevolg zijn van grote geheugens en snelle rekencycli, het succes van de kwantumcomputer berust op het feit dat één enkele geheugeneenheid - een kwantumbit, ook wel "qubit" genoemd - kan superposities van verschillende mogelijke waarden tegelijkertijd bevatten. Daarom, een kwantumcomputer berekent niet slechts één resultaat tegelijk, maar in plaats daarvan veel mogelijke resultaten parallel. Hoe meer qubits er met elkaar verbonden zijn in een kwantumcomputer; hoe meer complexe berekeningen het kan uitvoeren.

De basisbewerkingen van een kwantumcomputer zijn kwantumlogische poorten tussen twee qubits. Zo'n operatie verandert - afhankelijk van de begintoestand van de qubits - hun kwantummechanische toestanden. Om een ​​kwantumcomputer superieur te laten zijn aan een normale computer voor verschillende berekeningen, het zou op betrouwbare wijze vele tientallen met elkaar moeten verbinden, of zelfs duizenden qubits voor even duizenden kwantumbewerkingen. Ondanks grote successen, alle huidige laboratoria worstelen nog om zo'n grote en betrouwbare kwantumcomputer te bouwen, omdat elke extra benodigde qubit het veel moeilijker maakt om een ​​kwantumcomputer in slechts één opstelling te bouwen. De qubits worden geïmplementeerd, bijvoorbeeld, met enkele atomen, supergeleidende elementen, of lichte deeltjes, die allemaal perfect van elkaar en de omgeving moeten worden geïsoleerd. Hoe meer qubits naast elkaar staan, hoe moeilijker het is om ze tegelijkertijd van buitenaf te isoleren en te beheersen.

Datalijn en verwerkingseenheid gecombineerd

Een manier om de technische problemen bij de constructie van kwantumcomputers te overwinnen, wordt gepresenteerd in een nieuwe studie in het tijdschrift Wetenschap door Severin Daiss, Stefan Langenfeld en collega's van de onderzoeksgroep van Gerhard Rempe aan het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching. In dit werk ondersteund door het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (Castelldefels, Spanje), het team slaagde erin om twee qubit-modules over een afstand van 60 meter zo met elkaar te verbinden dat ze effectief een basis-quantumcomputer vormen met twee qubits. "Over deze afstand we voeren een kwantumcomputerbewerking uit tussen twee onafhankelijke qubit-opstellingen in verschillende laboratoria, "Daiss benadrukt. Dit maakt het mogelijk om kleinere kwantumcomputers samen te voegen tot een gezamenlijke verwerkingseenheid.

Het eenvoudig koppelen van verre qubits om verstrengeling tussen hen te genereren, is in het verleden bereikt, maar nu, de verbinding kan bovendien worden gebruikt voor kwantumberekeningen. Voor dit doeleinde, de onderzoekers gebruikten modules bestaande uit een enkel atoom als een qubit die tussen twee spiegels is geplaatst. Tussen deze modules ze sturen één enkele lichtkwanta, een foton, dat wordt getransporteerd in de optische vezel. Dit foton is dan verstrengeld met de kwantumtoestanden van de qubits in de verschillende modules. Vervolgens, de toestand van een van de qubits wordt gewijzigd volgens de gemeten toestand van het "ancilla-foton, " het realiseren van een kwantummechanische CNOT-operatie met een betrouwbaarheid van 80 procent. Een volgende stap zou zijn om meer dan twee modules aan te sluiten en meer qubits in de afzonderlijke modules te hosten.

Kwantumcomputers met hogere prestaties door middel van gedistribueerd computergebruik

Teamleider en instituutsdirecteur Gerhard Rempe gelooft dat het resultaat de technologie verder zal bevorderen:"Ons schema opent een nieuw ontwikkelingspad voor gedistribueerde kwantumcomputing." Het zou kunnen, bijvoorbeeld, om een ​​gedistribueerde kwantumcomputer te bouwen die bestaat uit veel modules met weinig qubits die onderling verbonden zijn met de nieuw geïntroduceerde methode. Deze aanpak zou de beperking van bestaande kwantumcomputers kunnen omzeilen om meer qubits in een enkele opstelling te integreren en zou daarom krachtigere systemen mogelijk kunnen maken.