In een doorbraak voor kwantumcomputing, Onderzoekers van de Universiteit van Chicago hebben verstrengelde qubit-statussen verzonden via een communicatiekabel die een kwantumnetwerkknooppunt met een tweede knooppunt verbindt.

De onderzoekers, gevestigd in de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) aan de Universiteit van Chicago, versterkte ook eerst een verstrengelde toestand via dezelfde kabel door de kabel te gebruiken om twee qubits in elk van twee knooppunten te verstrengelen, vervolgens deze qubits verder verstrengelen met andere qubits in de knooppunten.

De resultaten, gepubliceerd op 24 februari 2021 in Natuur , zou kunnen helpen om kwantumcomputing haalbaarder te maken en zou de basis kunnen leggen voor toekomstige kwantumcommunicatienetwerken.

"Het ontwikkelen van methoden waarmee we verstrengelde toestanden kunnen overbrengen, is essentieel voor het opschalen van kwantumcomputing, " zei prof. Andrew Cleland, die het onderzoek leidde.

Verstrengelde fotonen door een netwerk sturen

Qubits, of kwantumbits, zijn de basiseenheden van kwantuminformatie. Door gebruik te maken van hun kwantumeigenschappen, zoals superpositie, en hun vermogen om met elkaar verstrikt te raken, wetenschappers en ingenieurs creëren kwantumcomputers van de volgende generatie die voorheen onoplosbare problemen kunnen oplossen.

Cleland Lab gebruikt supergeleidende qubits, kleine cryogene circuits die elektrisch kunnen worden gemanipuleerd.

Om de verstrengelde toestanden door de communicatiekabel te sturen - een supergeleidende kabel van één meter lang - creëerden de onderzoekers een experimentele opstelling met drie supergeleidende qubits in elk van de twee knooppunten. Ze verbond een qubit in elk knooppunt met de kabel en stuurden vervolgens kwantumtoestanden, in de vorm van microgolffotonen, via de kabel met minimaal verlies van informatie. De fragiele aard van kwantumtoestanden maakt dit proces behoorlijk uitdagend.

Cleland's voormalige postdoctorale fellow, papier eerste auteur Youpeng Zhong, was in staat om een ​​systeem te ontwikkelen waarin het hele overdrachtsproces - van knooppunt naar kabel naar knooppunt - slechts enkele tientallen nanoseconden duurt (een nanoseconde is een miljardste van een seconde). Daardoor konden ze verstrengelde kwantumtoestanden verzenden met heel weinig informatieverlies.

Het systeem stelde hen ook in staat om de verstrengeling van qubits te "versterken". De onderzoekers gebruikten één qubit in elk knooppunt en verstrengelden ze met elkaar door in wezen een half foton door de kabel te sturen. Vervolgens breidden ze deze verstrengeling uit naar de andere qubits in elk knooppunt. Toen ze klaar waren, alle zes qubits in twee knooppunten waren verstrengeld in een enkele wereldwijd verstrengelde staat.

Het maken van een geschaald, netwerk kwantumcomputer

In de toekomst, kwantumcomputers zullen waarschijnlijk worden opgebouwd uit modules waarin families van verstrengelde qubits een berekening uitvoeren. Deze computers kunnen uiteindelijk worden opgebouwd uit veel van dergelijke netwerkmodules, vergelijkbaar met hoe supercomputers tegenwoordig parallel computergebruik uitvoeren op veel centrale verwerkingseenheden die met elkaar zijn verbonden. De mogelijkheid om qubits op afstand in verschillende modules te verstrengelen, of knooppunten, is een belangrijke stap vooruit om dergelijke modulaire benaderingen mogelijk te maken.

"Deze modules zullen complexe kwantumtoestanden naar elkaar moeten sturen, en dit is een grote stap in die richting, "Zei Cleland. Een kwantumcommunicatienetwerk zou mogelijk ook van deze vooruitgang kunnen profiteren.

Cleland en zijn groep hopen hun systeem vervolgens uit te breiden naar drie knooppunten om een ​​driewegverstrengeling op te bouwen.

"We willen laten zien dat supergeleidende qubits een levensvatbare rol spelen in de toekomst, " hij zei.