Onderzoek van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis heeft een ontbrekend stukje gevonden in de puzzel van optische kwantumcomputers.

Jung Tsung Shen, universitair hoofddocent bij de afdeling Electrical &Systems Engineering, heeft een deterministische, high-fidelity twee-bits kwantumlogica-poort die gebruikmaakt van een nieuwe vorm van licht. Deze nieuwe logische poort is ordes van grootte efficiënter dan de huidige technologie.

"In het ideale geval de getrouwheid kan oplopen tot 97%, ' zei Sheen.

Zijn onderzoek werd in mei 2021 gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling A .

Het potentieel van kwantumcomputers is gebonden aan de ongebruikelijke eigenschappen van superpositie:het vermogen van een kwantumsysteem om veel verschillende eigenschappen te bevatten, of staten, tegelijkertijd - en verstrengeling - twee deeltjes die zich gedragen alsof ze op een niet-klassieke manier zijn gecorreleerd, ondanks dat ze fysiek van elkaar verwijderd zijn.

Waar spanning de waarde van een bit (een 1 of een 0) in een klassieke computer bepaalt, onderzoekers gebruiken individuele elektronen vaak als "qubits, " het kwantumequivalent. Elektronen hebben verschillende eigenschappen die goed bij de taak passen:ze kunnen gemakkelijk worden gemanipuleerd door een elektrisch of magnetisch veld en ze werken met elkaar samen. Interactie is een voordeel als je twee bits nodig hebt om verstrikt te raken - de wildernis laten van de kwantummechanica zich manifesteert.

Maar hun neiging tot interactie is ook een probleem. Alles, van verdwaalde magnetische velden tot hoogspanningslijnen, kan elektronen beïnvloeden, waardoor ze moeilijk te controleren zijn.

De afgelopen twee decennia heeft echter, sommige wetenschappers hebben geprobeerd fotonen als qubits te gebruiken in plaats van elektronen. "Als computers een echte impact gaan hebben, we moeten kijken naar het creëren van het platform met behulp van licht, ' zei Sheen.

Fotonen hebben geen lading, wat tot de tegenovergestelde problemen kan leiden:ze hebben geen interactie met de omgeving zoals elektronen, maar ze hebben ook geen interactie met elkaar. Het was ook een uitdaging om ad-hoc (effectieve) inter-foton-interacties te ontwikkelen en te creëren. Of zo ging het traditionele denken.

Minder dan een decennium geleden, wetenschappers die aan dit probleem werkten, ontdekten dat, zelfs als ze niet verstrikt waren toen ze een logische poort binnengingen, de handeling van het meten van de twee fotonen toen ze naar buiten gingen, leidde ertoe dat ze zich gedroegen alsof ze waren geweest. De unieke kenmerken van meten zijn een andere wilde manifestatie van de kwantummechanica.

"Kwantummechanica is niet moeilijk, maar het zit vol verrassingen, ' zei Sheen.

De meetontdekking was baanbrekend, maar niet echt spelveranderend. Dat komt omdat voor elke 1, 000, 000 fotonen, slechts één paar raakte verstrikt. Onderzoekers zijn sindsdien succesvoller, maar, Shen zei, "Het is nog steeds niet goed genoeg voor een computer, " die miljoenen tot miljarden bewerkingen per seconde moet uitvoeren.

Shen was in staat om met zo'n efficiëntie een twee-bits kwantumlogica-poort te bouwen dankzij de ontdekking van een nieuwe klasse van fotonische kwantumtoestanden:fotonische dimeren, fotonen verstrengeld in zowel ruimte als frequentie. Zijn voorspelling van hun bestaan ​​werd in 2013 experimenteel gevalideerd. en sindsdien vindt hij toepassingen voor deze nieuwe vorm van licht.

Wanneer een enkel foton een logische poort binnengaat, er gebeurt niets opmerkelijks - het gaat erin en komt eruit. Maar als er twee fotonen zijn, "Toen voorspelden we dat de twee een nieuwe staat zouden kunnen maken, fotonische dimeren. Het blijkt dat deze nieuwe staat cruciaal is."

wiskundig, er zijn veel manieren om een ​​logische poort te ontwerpen voor twee-bits bewerkingen. Deze verschillende ontwerpen worden equivalent genoemd. De specifieke logische poort die Shen en zijn onderzoeksgroep hebben ontworpen, is de gecontroleerde-fasepoort (of gecontroleerde-Z-poort). De belangrijkste functie van de poort met gecontroleerde fase is dat de twee fotonen die eruit komen zich in de negatieve toestand bevinden van de twee fotonen die erin zijn gegaan.

"In klassieke circuits, er is geen minteken, " zei Shen. "Maar in kwantumcomputers, het blijkt dat het minteken bestaat en cruciaal is."

Wanneer twee onafhankelijke fotonen (die twee optische qubits vertegenwoordigen) de logische poort binnenkomen, "Het ontwerp van de logische poort is zodanig dat de twee fotonen een fotonisch dimeer kunnen vormen, " Shen zei. "Het blijkt dat de nieuwe kwantumfotonische toestand cruciaal is, omdat het de uitvoerstatus in staat stelt het juiste teken te hebben dat essentieel is voor de optische logische bewerkingen."

Shen heeft met de Universiteit van Michigan samengewerkt om zijn ontwerp te testen, dat is een solid-state logische poort - een die onder gematigde omstandigheden kan werken. Tot dusver, hij zegt, resultaten lijken positief.

Shen zegt dit resultaat, terwijl het voor de meesten verbijsterend is, is voor de kenners duidelijk.

"Het is als een puzzel, "zei hij. "Het kan ingewikkeld zijn om te doen, maar als het eenmaal klaar is, gewoon door ernaar te kijken, je zult weten dat het klopt."