In de huidige digitale infrastructuur, de databits die we gebruiken om informatie te verzenden en te verwerken, kunnen 0 of 1 zijn. Het kunnen corrigeren van mogelijke fouten die kunnen optreden in berekeningen met behulp van deze bits is een essentieel onderdeel van informatieverwerkings- en communicatiesystemen. Maar een kwantumcomputer gebruikt kwantumbits, wat een soort mengsel kan zijn van 0 en 1, bekend als kwantumsuperpositie. Deze mix is ​​van vitaal belang voor hun kracht, maar het maakt foutcorrectie veel gecompliceerder.

Onderzoekers van DTU Fotonik hebben samen de grootste en meest complexe fotonische kwantuminformatieprocessor tot nu toe gemaakt - op een microchip. Het gebruikt enkele lichtdeeltjes als kwantumbits, en demonstreert voor het eerst een verscheidenheid aan foutcorrectieprotocollen met fotonische kwantumbits.

"We hebben een nieuwe optische microchip gemaakt die kwantuminformatie op zo'n manier verwerkt dat hij zichzelf kan beschermen tegen fouten door middel van verstrengeling. We gebruikten een nieuw ontwerp om foutcorrectieschema's te implementeren, en geverifieerd dat ze effectief werken op ons fotonisch platform, " zegt Jeremy Adcock, postdoc bij DTU Fotonik en co-auteur van de Natuurfysica papier.

Dit onderzoek is belangrijk omdat foutcorrectie de sleutel is tot het ontwikkelen van grootschalige kwantumcomputers, die nieuwe algoritmen voor b.v. grootschalige chemische simulaties en snellere machine learning.

Een belangrijke toepassing zou de ontdekking van geneesmiddelen kunnen zijn. De computers van vandaag kunnen grote moleculen en hun interacties niet simuleren, bijvoorbeeld wanneer je een medicijnmolecuul in het menselijk lichaam introduceert. In de computers van tegenwoordig, de grootte van klassieke berekeningen groeit exponentieel met de grootte van de betrokken moleculen. Maar voor toekomstige kwantumcomputers, er zijn efficiëntere algoritmen bekend, die niet opblazen in rekenkosten.

Dit is slechts een van de problemen die de kwantumtechnologie van de toekomst belooft op te lossen, door informatie te kunnen verwerken die verder gaat dan de fundamentele grenzen van traditionele computers. Maar om dit doel te bereiken, we moeten klein gaan:

"Apparaten op chipschaal zijn een belangrijke stap voorwaarts als de kwantumtechnologie wordt opgeschaald om een ​​voordeel te laten zien ten opzichte van klassieke computers. Voor deze systemen zijn miljoenen hoogwaardige componenten nodig die met de hoogst mogelijke snelheden werken, iets dat alleen wordt bereikt met microchips en geïntegreerde schakelingen, die mogelijk worden gemaakt door de ultrageavanceerde halfgeleiderindustrie, " zegt co-auteur Yunhong Ding, senior onderzoeker bij DTU Fotonik.

Om kwantumtechnologie te realiseren die verder gaat dan de krachtige computers van vandaag, moet deze technologie verder worden geschaald. Vooral, de fotonenbronnen (lichtdeeltjes) op deze chip zijn niet efficiënt genoeg om kwantumtechnologie van bruikbare schaal te bouwen.

"Bij DTU, we werken nu aan het verhogen van de efficiëntie van deze bronnen - die momenteel een efficiëntie van slechts 1 procent hebben - tot bijna één. Met zo'n bron het zou mogelijk moeten zijn om kwantumfotonische apparaten van enorm grotere schaal te bouwen, en profiteer van de voordelen van het eigen fysieke voordeel van kwantumtechnologie ten opzichte van klassieke computers bij de verwerking, communiceren, en informatie inwinnen, zegt postdoc bij DTU Fotonik, Jeremy Adcock.

"Met efficiëntere fotonbronnen, we zullen in staat zijn om meer en verschillende bronstaten te bouwen, die grotere en complexere berekeningen mogelijk maken, evenals onbeperkt bereik veilige kwantumcommunicatie."