Quantumcomputers, machines die gebruikmaken van kwantumtoestanden om berekeningen uit te voeren en gegevens op te slaan, zouden binnenkort een revolutie teweeg kunnen brengen in de computerindustrie, met aanzienlijk hogere snelheden en prestaties dan bestaande computers. Terwijl talloze bedrijven wereldwijd, waaronder Google en IBM, maar ook kleinere start-ups, zijn gaan werken aan kwantumtechnologieën, blijft de exacte architectuur die zal leiden tot hun massaproductie onduidelijk.

Onderzoekers van Leibniz University Hannover hebben onlangs een theoretische studie gedaan naar de mogelijkheid om voor quantumcomputers vliegende qubit-poorten te realiseren die ongevoelig zijn voor de golfvormen van fotonen, en deze vormen ook volledig behouden tijdens de verwerking. Hun paper, gepubliceerd in Physical Review Letters , zou kunnen dienen als basis voor de ontwikkeling van nieuwe poorten die verstrengelde fotonische golfpakketten effectiever kunnen verwerken dan niet-verstrengelde.

"Er zijn verschillende kandidaat-architecturen voor de ontwikkeling van kwantumtechnologie, waaronder supergeleiders, ionenvallen, vaste toestand, optisch, enzovoort", vertelde Ihar Babushkin, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Ongeacht welke architectuur we beschouwen, fotonen, de quanta van licht, zullen een belangrijke rol spelen, aangezien in bijna alle architecturen de bemiddelaars tussen kwantuminformatiebits (qubits) fotonen zijn."

Optische kwantumcomputers blijven hier apart, aangezien de fotonen niet alleen de interactie tussen de qubits bemiddelen; ze zijn zelf ook qubits. Omdat de fotonen niet worden beïnvloed door decoherentie (d.w.z. een proces waarbij de omgeving interageert met qubits en hun kwantumtoestand verandert, waardoor de informatie die ze opslaan verloren gaat), zijn ze ideaal voor het veilig vervoeren van kwantuminformatie.

"Voor fotonen is decoherentie geen probleem, omdat fotonen geen interactie hebben met fotonen en nauwelijks interactie met materie", legt Babushkin uit. "Dit wordt echter een probleem zodra we fotonen willen manipuleren:het gebrek aan interactie maakt het moeilijk om fotonen te manipuleren en dus om kwantumberekeningen uit te voeren. Desondanks blijven teams wereldwijd onderzoek in deze richting doen, omdat fotonische informatieverwerking is buitengewoon aantrekkelijk, als het kan worden gerealiseerd, zoals het kan bij kamertemperatuur."

Een bestaande benadering voor fotonische informatieverwerking staat bekend als "op metingen gebaseerde berekening". Deze benadering vereist alleen lineaire elementen, zoals bundelsplitsers en het meten van hulpfotonen.

Een alternatieve methode is coherente fotonconversie (CPC). Dit is een techniek die niet-lineaire optische interacties versterkt, processen waarbij vier golven worden gemengd tussen fotonen, met behulp van een extra, krachtige laserstraal.

Ondanks hun verschillen hebben deze twee verschillende benaderingen een gemeenschappelijke beperking. In het bijzonder hebben ze allebei, zoals tot nu toe werd aangenomen, invoerfotonen nodig die "identiek" zijn (d.w.z. niet te onderscheiden en niet gecorreleerd aan elkaar in tijd en ruimte).

"Deze vereiste is nodig omdat anders fotonen te onderscheiden worden, waardoor hun kwantuminterferentie wordt verbroken", zei Babushkin. "Dit is een ernstige beperking, omdat het vereist dat alle fotonen worden geproduceerd met volledig onafhankelijke maar identieke fotonbronnen. Het produceren van veel identieke fotonen is geen gemakkelijke taak."

In hun paper lieten Babushkin en zijn collega's zien dat dit kan worden bereikt met een variant van de CPC-methode. Meer specifiek toonden ze theoretisch aan dat CPC kan worden gebruikt om vliegende qubit-poorten te realiseren die even goed werken voor gecorreleerde, niet-identieke, te onderscheiden fotonen, waarbij hun ruimte-tijdelijke fotonische eigenschappen behouden blijven tijdens het gebruik. Om dit te doen, gebruikten ze een variant van een CPC-aanpak die werd voorgesteld door een team van Macquarie University en Imperial College.

"In deze benadering planten zowel de op elkaar inwerkende fotonen als de sterke laserpomp zich voort met verschillende snelheden en ontmoeten ze elkaar op een gegeven moment," zei Babushkin. "We hebben aangetoond dat in dit geval de fotoninteractie optreedt in de vorm van een scherp interactiefront, dat in de tijd honderden attoseconden kan bedragen (één attoseconde is 10 ^-18 van seconde) en enkele nanometers in de ruimte. De grootte van dit front wordt bepaald door de maximale snelheid waarmee atomen kunnen reageren op de optische excitatie."

Babushkin en zijn collega's toonden aan dat met hun benadering, zodra de golfvorm (d.w.z. pulsvorm) van de interagerende fotonen veel groter is dan de attoseconde schaal, wat altijd het geval is voor optische frequenties, de afzonderlijke delen van de fotonische golfvormen zijn zelfstandig verwerkt. Hierdoor blijft de golfvorm van de fotonen in het systeem onaangetast.

"We denken dat onze belangrijkste prestatie is dat we hebben laten zien dat het mogelijk is om poorten te maken die op een golfvormonafhankelijke, golfvormtolerante manier werken," zei Babushkin. "Een dergelijke mogelijkheid was niet evident, integendeel, men geloofde dat dergelijke poorten onmogelijk waren."

In de toekomst zou de door dit team van onderzoekers geïntroduceerde hypothese experimenteel kunnen worden getest in het laboratorium, om te bevestigen of hun theoretische voorspellingen waar zijn. Als dat zo is, kan hun werk de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van beter presterende fotonische informatieverwerkingssystemen.

"Als volgende stap in ons onderzoek zullen we proberen de theoretische begrippen die we hebben geïntroduceerd experimenteel te realiseren", voegde Babushkin eraan toe. "Als het ons lukt, breiden we ons single-gate-resultaat uit naar het hele raamwerk waarin alle berekeningen op de golfvormtolerante manier worden gemaakt. In de verre toekomst kan dit leiden tot een eenvoudigere realisatie van puur fotonische kwantumcomputers." + Verder verkennen

Op maat gemaakte enkele fotonen:optische controle van fotonen als sleutel tot nieuwe technologieën

© 2022 Science X Network