Qubits zijn een fundamentele bouwsteen voor kwantumcomputers, maar ze zijn ook notoir kwetsbaar - lastig om te observeren zonder hun informatie in het proces te wissen. Nu zou nieuw onderzoek van de University of Colorado Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST) een sprong voorwaarts kunnen zijn voor het omgaan met qubits met een lichte aanraking.

In het onderzoek toonde een team van natuurkundigen aan dat het de signalen van een soort qubit, een supergeleidende qubit genaamd, kon uitlezen met behulp van laserlicht, en zonder de qubit tegelijkertijd te vernietigen.

De resultaten van de groep kunnen een grote stap zijn in de richting van het bouwen van een kwantuminternet, zeggen de onderzoekers. Zo'n netwerk zou tientallen of zelfs honderden kwantumchips met elkaar verbinden, waardoor ingenieurs problemen kunnen oplossen die zelfs de snelste supercomputers van vandaag niet kunnen bereiken. Ze zouden in theorie ook een vergelijkbare set tools kunnen gebruiken om onbreekbare codes over lange afstanden te verzenden.

De studie, die op 15 juni zal verschijnen in het tijdschrift Nature , werd geleid door JILA, een gezamenlijk onderzoeksinstituut tussen CU Boulder en NIST.

"Momenteel is er geen manier om kwantumsignalen te verzenden tussen verre supergeleidende processors zoals we signalen verzenden tussen twee klassieke computers", zegt Robert Delaney, hoofdauteur van de studie en een voormalig afgestudeerde student aan JILA.

Delaney legde uit dat de traditionele bits die je laptop aansturen vrij beperkt zijn:ze kunnen slechts een waarde van nul of één aannemen, de getallen die ten grondslag liggen aan de meeste computerprogrammering tot nu toe. Qubits daarentegen kunnen nullen, enen zijn of, via een eigenschap die 'superpositie' wordt genoemd, tegelijkertijd als nullen en enen bestaan.

Maar werken met qubits is ook een beetje als proberen een sneeuwvlokje in je warme hand te vangen. Zelfs de kleinste verstoring kan die superpositie doen instorten, waardoor ze eruitzien als normale stukjes.

In de nieuwe studie toonden Delaney en zijn collega's aan dat ze die kwetsbaarheid konden omzeilen. Het team gebruikt een flinterdun stukje silicium en stikstof om het signaal dat uit een supergeleidende qubit komt om te zetten in zichtbaar licht - hetzelfde soort licht dat al digitale signalen van stad naar stad vervoert via glasvezelkabels.

"Onderzoekers hebben experimenten gedaan om optisch licht uit een qubit te halen, maar het is een uitdaging om de qubit daarbij niet te verstoren", zegt co-auteur Cindy Regal, JILA fellow en universitair hoofddocent natuurkunde aan CU Boulder.

Kwantumsprong

Er zijn veel verschillende manieren om een ​​qubit te maken, voegde ze eraan toe.

Sommige wetenschappers hebben qubits samengesteld door een atoom in laserlicht te vangen. Anderen hebben geëxperimenteerd met het inbedden van qubits in diamanten en andere kristallen. Bedrijven als IBM en Google zijn begonnen met het ontwerpen van kwantumcomputerchips met behulp van qubits gemaakt van supergeleiders.

Supergeleiders zijn materialen waar elektronen zonder weerstand doorheen kunnen razen. Onder de juiste omstandigheden zullen supergeleiders kwantumsignalen uitzenden in de vorm van kleine lichtdeeltjes, of "fotonen", die oscilleren op microgolffrequenties.

En daar begint het probleem, zei Delaney.

Om dat soort kwantumsignalen over lange afstanden te sturen, zouden onderzoekers eerst microgolffotonen moeten omzetten in zichtbaar licht, of optische, fotonen - die relatief veilig door netwerken van glasvezelkabels door de stad of zelfs tussen steden kunnen suizen. Maar als het gaat om kwantumcomputers, is het bereiken van die transformatie lastig, zei co-auteur Konrad Lehnert van de studie.

Gedeeltelijk komt dat omdat een van de belangrijkste hulpmiddelen die je nodig hebt om microgolffotonen in optische fotonen te veranderen, laserlicht is, en lasers zijn de aartsvijand van supergeleidende qubits. Als zelfs maar één verdwaald foton van een laserstraal je qubit raakt, wordt het volledig gewist.

"De kwetsbaarheid van qubits en de essentiële incompatibiliteit tussen supergeleiders en laserlicht maakt dit soort uitlezing meestal onmogelijk", zegt Lehnert, een NIST- en JILA-fellow.

Geheime codes

Om dat obstakel te omzeilen, wendde het team zich tot een tussenpersoon:een dun stuk materiaal dat een elektro-optische transducer wordt genoemd.

Delaney legde uit dat het team begint met het zappen van die wafel, die te klein is om zonder microscoop te zien, met laserlicht. Wanneer microgolffotonen van een qubit tegen het apparaat botsen, wiebelt het en spuugt het meer fotonen uit, maar deze oscilleren nu met een geheel andere frequentie. Magnetronlicht gaat naar binnen en zichtbaar licht komt uit

In de laatste studie testten de onderzoekers hun transducer met een echte supergeleidende qubit. Ze ontdekten dat het dunne materiaal deze switcheroo kon bereiken en tegelijkertijd die dodelijke vijanden, qubits en lasers, effectief van elkaar kon isoleren. Met andere woorden, geen van de fotonen van het laserlicht lekte terug om de supergeleider te verstoren.

"Onze elektro-optische transducer heeft niet veel effect op de qubit," zei Delaney.

Het team is nog niet zover dat het daadwerkelijke kwantuminformatie kan verzenden via zijn transducer. Het apparaat is onder andere nog niet bijzonder efficiënt. Er zijn gemiddeld ongeveer 500 microgolffotonen nodig om een ​​enkel zichtbaar lichtfoton te produceren.

De onderzoekers werken momenteel aan het verbeteren van dat percentage. Als ze dat eenmaal doen, kunnen er nieuwe mogelijkheden ontstaan ​​in het kwantumrijk. Wetenschappers zouden in theorie een vergelijkbare set hulpmiddelen kunnen gebruiken om kwantumsignalen over kabels te sturen die automatisch hun informatie zouden wissen wanneer iemand probeert mee te luisteren.

Mission Impossible werkelijkheid gemaakt, met andere woorden, en dat allemaal dankzij de gevoelige qubit. + Verder verkennen

Glasvezel kan het vermogen van supergeleidende kwantumcomputers vergroten