Twee natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz ontwikkelen een methode die een stabiele uitwisseling van informatie in kwantumcomputers mogelijk maakt. In de hoofdrol:fotonen die quantumbits laten ‘vliegen’.

Kwantumcomputers worden beschouwd als de volgende grote evolutionaire stap in de informatietechnologie. Er wordt van hen verwacht dat ze computerproblemen oplossen die de huidige computers eenvoudigweg niet kunnen oplossen – of waar het eeuwen over zou duren. Onderzoeksgroepen over de hele wereld werken eraan om de kwantumcomputer werkelijkheid te maken. Dat is allesbehalve eenvoudig, want de basiscomponenten van zo’n computer, de quantumbits of qubits, zijn uiterst kwetsbaar.

Eén type qubit bestaat uit het intrinsieke impulsmoment (spin) van een enkel elektron, dat wil zeggen dat ze zich op de schaal van een atoom bevinden. Het is al moeilijk genoeg om zo’n kwetsbaar systeem intact te houden. Nog lastiger is het om twee of meer van deze qubits met elkaar te verbinden. Hoe kan een stabiele informatie-uitwisseling tussen qubits worden bereikt?

Vliegende qubits

De twee Konstanz-natuurkundigen Benedikt Tissot en Guido Burkard hebben nu een theoretisch model ontwikkeld van hoe de informatie-uitwisseling tussen qubits zou kunnen slagen door fotonen te gebruiken als transportmiddel voor kwantuminformatie. Het algemene idee is dat de informatie-inhoud (elektronenspintoestand) van de materiële qubit wordt omgezet in een ‘vliegende qubit’, namelijk een foton. Fotonen zijn lichtkwanta die de basisbouwstenen vormen van het elektromagnetische stralingsveld.

Het bijzondere aan het nieuwe model zijn de gestimuleerde Raman-emissies die worden gebruikt om de qubit om te zetten in een foton. Deze procedure maakt meer controle over de fotonen mogelijk. "We stellen een paradigmaverschuiving voor van het optimaliseren van de controle tijdens het genereren van het foton naar het direct optimaliseren van de tijdelijke vorm van de lichtpuls in de vliegende qubit", legt Burkard uit.

Tissot vergelijkt de basisprocedure met internet:"In een klassieke computer hebben we onze bits, die op een chip zijn gecodeerd in de vorm van elektronen. Als we informatie over lange afstanden willen verzenden, wordt de informatie-inhoud van de bits omgezet omgezet in een lichtsignaal dat via optische vezels wordt verzonden."

Het principe van informatie-uitwisseling tussen qubits in een kwantumcomputer lijkt sterk op elkaar:"Ook hier moeten we de informatie omzetten in toestanden die gemakkelijk kunnen worden overgedragen – en fotonen zijn daar ideaal voor", legt Tissot uit.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research .

Een systeem met drie niveaus voor het besturen van het foton

"We moeten verschillende aspecten in overweging nemen", zegt Tissot. "We willen controle hebben over de richting waarin de informatie stroomt, maar ook wanneer, hoe snel en waar deze naartoe stroomt. Daarom hebben we een systeem nodig dat een hoog niveau van controle mogelijk maakt."

De methode van de onderzoekers maakt deze controle mogelijk door middel van door resonatoren versterkte, gestimuleerde Raman-emissies. Achter deze term schuilt een systeem met drie niveaus, dat leidt tot een procedure in meerdere fasen. Deze fasen bieden de natuurkundigen controle over het foton dat ontstaat. "We hebben hier 'meer knoppen' die we kunnen bedienen om het foton te besturen", zegt Tissot.

Gestimuleerde Raman-emissie is een gevestigde methode in de natuurkunde. Het is echter ongebruikelijk om ze te gebruiken om qubit-statussen rechtstreeks te verzenden. De nieuwe methode maakt het mogelijk om de gevolgen van verstoringen in de omgeving en ongewenste bijwerkingen van snelle veranderingen in de temporele vorm van de lichtpuls in evenwicht te brengen, zodat informatietransport nauwkeuriger kan worden geïmplementeerd.

Meer informatie: Benedikt Tissot et al, Efficiënte, hifi-vliegende qubit-vormgeving, Physical Review Research (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013150

Aangeboden door Universiteit van Konstanz