Van toekomstige kwantumcomputers wordt verwacht dat ze niet alleen bijzonder lastige computertaken oplossen, maar ook worden aangesloten op een netwerk voor veilige gegevensuitwisseling. In principe zouden hiervoor kwantumpoorten kunnen worden gebruikt. Maar tot nu toe was het niet mogelijk om ze met voldoende efficiëntie te realiseren. Door een uitgekiende combinatie van verschillende technieken hebben onderzoekers van het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) nu een grote stap gezet om deze hindernis te overwinnen.

Al tientallen jaren worden computers met elke nieuwe generatie sneller en krachtiger. Deze ontwikkeling maakt het mogelijk om voortdurend nieuwe toepassingen te ontsluiten, bijvoorbeeld in systemen met kunstmatige intelligentie. Maar met de gevestigde computertechnologie wordt het steeds moeilijker om verdere vooruitgang te boeken. Om deze reden richten onderzoekers zich nu op alternatieve, volledig nieuwe concepten die in de toekomst kunnen worden gebruikt voor bijzonder moeilijke computertaken. Deze concepten omvatten kwantumcomputers.

Hun functie is niet gebaseerd op de combinatie van digitale nullen en enen - de klassieke bits - zoals het geval is bij conventionele, micro-elektronische computers. In plaats daarvan gebruikt een kwantumcomputer kwantumbits, of kortweg qubits, als basiseenheden voor het coderen en verwerken van informatie. Ze zijn de tegenhangers van bits in de kwantumwereld, maar verschillen van hen in één cruciaal kenmerk:qubits kunnen niet alleen twee vaste waarden of toestanden zoals nul of één aannemen, maar ook alle waarden daartussenin. Dit biedt in principe de mogelijkheid om veel rekenprocessen tegelijk uit te voeren in plaats van de ene logische bewerking na de andere te verwerken.

Tapbestendige communicatie met optische qubits

"Er zijn verschillende manieren om het concept van qubits fysiek te implementeren", zegt Thomas Stolz, die onderzoek heeft gedaan naar de fundamenten van kwantumcomputers aan het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) in Garching. "Een daarvan is optische fotonen." En in hun onderzoek vertrouwden Stolz en zijn collega's in het team onder leiding van Dr. Stephan Dürr en MPQ-directeur Prof. Dr. Gerhard Rempe ook op dergelijke lichtdeeltjes uit het zichtbare spectrale bereik. "Een voordeel van fotonen als informatiedragers in een kwantumcomputer is hun lage interactie met elkaar en met de omgeving", legt Stolz uit. "Dit voorkomt dat de samenhang, die nodig is voor het bestaan ​​van qubits, snel wordt vernietigd door externe verstoringen." Daarnaast kunnen fotonen over lange afstanden worden getransporteerd, bijvoorbeeld in een optische vezel. "Dit maakt ze een bijzonder veelbelovende kandidaat voor het bouwen van kwantumnetwerken", zegt Stolz:verbindingen van meerdere kwantumcomputers waarover versleutelde gegevens onvoorwaardelijk veilig kunnen worden verzonden - en betrouwbaar beschermd tegen afluisterpogingen.

De basiscomponenten van een kwantumcomputer - en dus ook van een kwantumnetwerk - zijn kwantumpoorten. Ze komen qua werking overeen met de logische poorten die in conventionele rekenmachines worden gebruikt, maar zijn afgestemd op de speciale eigenschappen van qubits. "Quantumpoorten voor qubits die zijn geïmplementeerd in ingesloten ionen of supergeleidende materialen zijn momenteel technisch het meest geavanceerd", legt Stephan Dürr uit. "Het is echter veel uitdagender om zo'n element met fotonen te realiseren." Want in dit geval verandert het voordeel van zwakke interacties in een tastbaar nadeel. Want om informatie te kunnen verwerken, moeten de lichtdeeltjes elkaar kunnen beïnvloeden. De onderzoekers van de MPQ hebben laten zien hoe dit effectief kan worden bereikt in een paper, dat nu is gepubliceerd in het open access tijdschrift Physical Review X .

Eerdere pogingen om kwantumpoorten te realiseren die twee fotonen met elkaar verbinden, zijn slechts ten dele gelukt. Ze hadden vooral last van hun lage rendement van hooguit 11%. Dit betekent dat een groot deel van de lichtdeeltjes, en dus ook van de data, verloren gaat terwijl ze in het kwantumsysteem worden verwerkt - een tekortkoming, vooral wanneer meerdere kwantumpoorten achter elkaar in een kwantumnetwerk moeten worden aangesloten en verliezen optellen als een resultaat. "Daarentegen zijn we er voor het eerst in geslaagd een optische poort met twee qubits te realiseren met een gemiddelde efficiëntie van meer dan 40%", meldt Stephan Dürr - bijna vier keer het vorige record.

Ultrakoude atomen in een resonator

"De basis voor dit succes was het gebruik van niet-lineaire componenten", legt Stolz uit. Ze bevinden zich in een nieuw experimenteel platform dat het team van MPQ speciaal voor het experiment heeft ontwikkeld en in het laboratorium heeft geïnstalleerd. Daarbij konden de onderzoekers voortbouwen op hun ervaring met eerder werk dat ze in 2016 en 2019 hadden gepubliceerd. Een bevinding hieruit was dat het voor informatieverwerking met fotonen zinvol is om een ​​koud, atomair gas te gebruiken waarin enkele atomen zijn zeer energetisch opgewonden. "De atomen bemiddelen de noodzakelijke interactie tussen de fotonen", legt Stolz uit. "Eerder werk heeft echter ook aangetoond dat de dichtheid van de atomen niet te hoog mag zijn, anders wordt de gecodeerde informatie snel gewist door botsingen tussen de atomen." Daarom gebruikten de onderzoekers nu een atomair gas met een lage dichtheid, dat ze afkoelden tot een temperatuur van 0,5 microkelvin - een halve miljoenste graad boven het absolute nulpunt bij min 273,15 graden Celsius. "Als extra versterker voor de interactie tussen de fotonen hebben we de ultrakoude atomen tussen de spiegels van een optische resonator geplaatst", meldt Stolz.

Dit leidde tot het succes van het experiment, waarbij de kwantumpoort de optische qubits in twee stappen verwerkte:een eerste foton, controlefoton genaamd, werd in de resonator gebracht en daar opgeslagen. Toen kwam een ​​tweede foton, doelfoton genaamd, de opstelling binnen en werd gereflecteerd door de resonatorspiegels - "het moment waarop de interactie plaatsvond", benadrukt Stolz. Uiteindelijk verlieten beide fotonen de kwantumpoort - samen met de informatie die erop was afgedrukt. Om dit te laten werken, gebruikten de natuurkundigen een andere truc. Dit is gebaseerd op elektronenexcitaties van de gasatomen tot zeer hoge energieniveaus, de zogenaamde Rydberg-toestanden. "Dit zorgt ervoor dat het aangeslagen atoom - in het klassieke beeld - enorm uitzet", legt Stolz uit. Het bereikt een straal van maximaal één micrometer - enkele duizenden keren de normale grootte van het atoom. De op deze manier opgeblazen atomen in de resonator zorgen er vervolgens voor dat de fotonen elkaar voldoende sterk kunnen beïnvloeden. Dit veroorzaakt echter aanvankelijk alleen een faseverschuiving. Bovendien wordt het licht opgesplitst in verschillende paden die later over elkaar heen worden gelegd. Alleen de kwantummechanische interferentie tijdens deze superpositie verandert de faseverschuiving in een kwantumpoort.

Het doel:schaalbare kwantumsystemen

Aan het experiment ging een uitgebreide theoretische analyse vooraf. Het MPQ-team had speciaal een uitgebreid theoretisch model ontwikkeld om het ontwerpproces van het nieuwe onderzoeksplatform te optimaliseren. Nader theoretisch onderzoek laat zien hoe de onderzoekers in de toekomst de efficiëntie van hun optische kwantumpoort hopen te verbeteren. Ze willen ook ontdekken hoe de kwantumpoort kan worden opgeschaald naar grotere systemen, door meerdere qubits tegelijk te verwerken. "Onze experimenten tot nu toe hebben al aangetoond dat dit in principe mogelijk is", zegt Gerhard Rempe, directeur van de groep. Hij is ervan overtuigd:"Onze nieuwe bevindingen zullen van groot nut zijn bij de ontwikkeling van op licht gebaseerde kwantumcomputers en kwantumnetwerken." + Verder verkennen

Een nieuw soort kwantumcomputer