In een nieuw baanbrekend werk, onderzoekers van DTU hebben nu het complete platform voor een optische kwantumcomputer gerealiseerd. Het platform is universeel en schaalbaar, het vindt allemaal plaats bij kamertemperatuur, en de technologie is direct compatibel met standaard glasvezelnetwerken. Dit plaatst DTU in de voorhoede van de ontwikkeling.

Optische kwantumcomputers zijn lange tijd overschaduwd door supergeleidende technologieën die zijn versneld door enorme ontwikkelingsprogramma's van technische giganten als IBM en Google. De situatie is nu aan het veranderen, een van de redenen is een reeks baanbrekende projecten die zijn uitgevoerd door onderzoekers van het basisonderzoekscentrum bigQ van DTU Physics.

In feite, de onderzoekers van DTU beperken zich niet tot het ontwikkelen van losse componenten voor een optische kwantumcomputer of alleen een kwantumsimulator. Ze werken vastberaden aan de ontwikkeling van een universele op metingen gebaseerde optische kwantumcomputer.

Kan elk willekeurig algoritme uitvoeren

Hoewel het type kwantumcomputer dat de DTU-onderzoekers ontwikkelen conceptueel heel anders is dan een normale computer, er zijn ook overeenkomsten.

Er zijn enkele logische basisapparaten (qubits) die de informatie dragen, en er zijn poorten die bewerkingen uitvoeren op een of meer qubits, dus het implementeren van een algoritme.

De demonstratie van een zogenaamde universele poortset - en de implementatie van een aantal operaties door middel daarvan - is precies wat de nieuwe vooruitgang in optische kwantumcomputers vormt.

"Onze demonstratie van een universele set poorten is absoluut cruciaal. Het betekent dat elk willekeurig algoritme op ons platform kan worden gerealiseerd met de juiste input, namelijk optische qubits. De computer is volledig programmeerbaar, " zegt Mikkel Vilsbøll Larsen, die de belangrijkste drijvende kracht achter het werk is geweest en die onlangs zijn Ph.D. studeert aan DTU.

Schalen maakt kwantumcomputer praktisch relevant

Het potentieel van de kwantumcomputer is enorm, en de drastisch toegenomen verwerkingskracht in vergelijking met standaard op transistors gebaseerde computers zal disruptieve innovatie mogelijk maken op een groot aantal gebieden die van groot belang zijn voor Denemarken, zoals de farmaceutische industrie, optimalisatie van de transportsector, en ontwikkeling van materialen voor het afvangen en opslaan van koolstof.

Een cruciale factor bij het vervullen van dit potentieel is dat de kwantumcomputer wordt gerealiseerd op een platform dat schaalbaar is tot duizenden qubits, legt senior onderzoeker Jonas S. Neergaard-Nielsen uit, die een van de pijlers van het werk is.

"Theoretisch, er is geen verschil of een kwantumcomputer is gebaseerd op supergeleidende of optische qubits. Maar er is een beslissend praktisch verschil. Supergeleidende kwantumcomputers zijn beperkt tot het aantal qubits dat op de specifieke processorchip is gefabriceerd. In ons systeem, we creëren voortdurend nieuwe en verstrengelen ze kwantummechanisch met die waarmee we berekeningen uitvoeren. Dit betekent dat ons platform eenvoudig schaalbaar is."

"In aanvulling, we hoeven niet alles in grote cryostaten af ​​te koelen. In plaats daarvan, we kunnen het allemaal op kamertemperatuur in optische vezels. Het feit dat het systeem is gebaseerd op optische vezels betekent ook dat het direct kan worden aangesloten op een toekomstig quantum-internet, zonder moeilijke tussenpersonen."

De onderzoekers hebben de schaalmijlpaal al in 2019 gepasseerd toen - in een artikel in Wetenschap — zij legden uit hoe, als een van de eersten ter wereld, ze hadden de basisstructuur geproduceerd voor een op metingen gebaseerde optische kwantumcomputer - een zogenaamde tweedimensionale clustertoestand met meer dan 30, 000 verstrengelde lichttoestanden.

Kijkt nu al vastberaden vooruit

Hoewel ze misschien in de verleiding komen om even op hun lauweren te rusten, het team van onderzoekers heeft al nieuwe doelen in zicht.

Eerder dit jaar, ze ontwikkelden en patenteerden een volledig theoretisch kader voor hoe hun technologie ook op lange termijn foutcorrectie kan omarmen. Dit is een van de grote huidige uitdagingen voor quantum computing-technologie.

"Het is een belangrijk onderzoeksresultaat dat we zojuist hebben gepubliceerd, en we zijn er trots op. Maar onze ambities gaan veel verder dan dat. Het doel op lange termijn is een kwantumcomputer die relevante problemen kan oplossen en het potentieel waar we allemaal naar streven, kan vervullen. " zegt professor Ulrik L. Andersen, die hoofd is van bigQ en het hele onderzoeksprogramma heeft begeleid.

"We weten wat er nodig is om onze huidige technologie op een optische chip te plaatsen en foutcorrectie te introduceren, en we hebben de relevante internationale samenwerkingsverbanden. Hetzelfde geldt voor het bedrijfsleven, waar bedrijven graag use cases met ons ontwikkelen."

Met andere woorden, de onderzoekers van DTU zijn klaar voor de volgende uitdagingen en om de volgende stap te zetten van fundamenteel onderzoek naar innovatie. In feite, financiering is het enige wat ontbreekt.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .