Wetenschappers hebben een herprogrammeerbare, op licht gebaseerde processor ontwikkeld, een wereldprimeur, die volgens hen een nieuw tijdperk van kwantumcomputers en communicatie zou kunnen inluiden.

Technologieën in deze opkomende gebieden die op atomair niveau opereren, realiseren nu al grote voordelen voor de ontdekking van geneesmiddelen en andere kleinschalige toepassingen.

In de toekomst beloven grootschalige kwantumcomputers complexe problemen op te kunnen lossen die voor de computers van vandaag onmogelijk zouden zijn.

Hoofdonderzoeker professor Alberto Peruzzo van de RMIT Universiteit in Australië zei dat de processor van het team – een fotonica-apparaat dat lichtdeeltjes gebruikt om informatie over te dragen – succesvolle kwantumberekeningen mogelijk zou kunnen maken door ‘lichtverliezen’ te minimaliseren.

"Ons ontwerp maakt de kwantumfotonische kwantumcomputer efficiënter in termen van lichtverliezen, wat van cruciaal belang is om de berekeningen gaande te kunnen houden", zegt Peruzzo, hoofd van het ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T). bij RMIT.

"Als je licht verliest, moet je de berekening opnieuw starten."

Andere mogelijke verbeteringen waren onder meer verbeterde datatransmissiemogelijkheden voor ‘onhackbare’ communicatiesystemen en verbeterde detectietoepassingen op het gebied van milieumonitoring en gezondheidszorg, aldus Peruzzo.

Wat heeft het team bereikt?

Het team herprogrammeerde een fotonicaprocessor in een reeks experimenten en bereikte prestaties die gelijk waren aan die van 2.500 apparaten, door verschillende spanningen toe te passen. Hun resultaten en analyses worden gepubliceerd in Nature Communications .

"Deze innovatie zou kunnen leiden tot een compacter en schaalbaarder platform voor kwantumfotonische processors", aldus Peruzzo.

Yang Yang, hoofdauteur, en RMIT Ph.D. De geleerde zei dat het apparaat "volledig controleerbaar" was, snelle herprogrammering mogelijk maakte met een lager energieverbruik, en de noodzaak voor het maken van veel op maat gemaakte apparaten verving.

"We hebben experimenteel verschillende fysieke dynamieken aangetoond op één enkel apparaat", zei hij.

"Het is alsof je een schakelaar hebt om te bepalen hoe deeltjes zich gedragen, wat nuttig is voor zowel het begrijpen van de kwantumwereld als het creëren van nieuwe kwantumtechnologieën."

Professor Mirko Lobino van de Universiteit van Trento in Italië maakte het innovatieve fotonische apparaat met behulp van een kristal genaamd lithiumniobaat, en professor Yogesh Joglekar van de Indiana University Purdue University Indianapolis in de Verenigde Staten bracht zijn expertise op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie in.

Lithiumniobaat heeft unieke optische en elektro-optische eigenschappen, waardoor het ideaal is voor diverse toepassingen in de optica en fotonica.

"Mijn groep was betrokken bij de fabricage van het apparaat, wat bijzonder uitdagend was omdat we een groot aantal elektroden bovenop de golfgeleiders moesten miniaturiseren om dit niveau van herconfigureerbaarheid te bereiken," zei Lobino.

"Programmeerbare fotonische processors bieden een nieuwe route om een ​​reeks fenomenen in deze apparaten te onderzoeken die mogelijk ongelooflijke vooruitgang in technologie en wetenschap zullen ontsluiten", aldus Joglekar.

Nog een grote sprong voorwaarts?

Ondertussen heeft het team van Peruzzo ook een 'wereldprimeur' hybride systeem ontwikkeld dat machinaal leren combineert met modellering om fotonische processors te programmeren en kwantumapparaten te helpen besturen.

Peruzzo zei dat de besturing van een kwantumcomputer cruciaal was om de nauwkeurigheid en efficiëntie van de gegevensverwerking te garanderen.

"Een van de grootste uitdagingen voor de uitvoernauwkeurigheid van het apparaat is ruis, die de interferentie in de kwantumomgeving beschrijft die van invloed is op hoe qubits presteren", zei hij.

Qubits zijn de basiseenheden van quantum computing.

"Er is een hele reeks industrieën die kwantumcomputing op volledige schaal ontwikkelen, maar ze vechten nog steeds tegen de fouten en inefficiënties die door ruis worden veroorzaakt", aldus Peruzzo.

Pogingen om qubits te controleren waren doorgaans gebaseerd op aannames over wat ruis was en wat de oorzaak ervan was, zei Peruzzo.

"In plaats van aannames te doen, hebben we een protocol ontwikkeld dat machinaal leren gebruikt om de ruis te bestuderen, terwijl we ook modellering gebruiken om te voorspellen wat het systeem doet als reactie op de ruis", zei hij.

Met het gebruik van de kwantumfotonische processors zegt Peruzzo dat deze hybride methode kwantumcomputers kan helpen nauwkeuriger en efficiënter te presteren, wat invloed heeft op de manier waarop we kwantumapparaten in de toekomst kunnen besturen.

"Wij geloven dat onze nieuwe hybride methode het potentieel heeft om de mainstream controlebenadering in quantum computing te worden", aldus Peruzzo.

Hoofdauteur Dr. Akram Youssry, van RMIT, zei dat de resultaten van de nieuw ontwikkelde aanpak een aanzienlijke verbetering laten zien ten opzichte van de traditionele methoden van modellering en controle, en kunnen worden toegepast op andere kwantumapparaten dan fotonische processors.

"De methode heeft ons geholpen aspecten van onze apparaten te ontdekken en te begrijpen die verder gaan dan de bekende fysieke modellen van deze technologie", zei hij.

"Dit zal ons helpen in de toekomst nog betere apparaten te ontwerpen."

"Experimentele Graybox-kwantumsysteemidentificatie en -controle", is gepubliceerd in npj Quantum Information .

Volgende stappen

Peruzzo zei dat startende bedrijven op het gebied van kwantumcomputers zouden kunnen worden opgericht rond het ontwerp van fotonische apparaten en de kwantumcontrolemethode van zijn team, die ze zouden blijven bestuderen in termen van toepassingen en hun ‘volledige potentieel’.

"Kwantumfotonica is een van de meest veelbelovende kwantumindustrieën, omdat de fotonica-industrie en de productie-infrastructuur zeer goed ingeburgerd zijn", zei hij.

"Quantum machine-learning-algoritmen hebben potentiële voordelen ten opzichte van andere methoden bij bepaalde taken, vooral als het om grote datasets gaat."

"Stel je een wereld voor waarin computers miljoenen keren sneller werken dan nu, waar we informatie veilig kunnen verzenden zonder bang te hoeven zijn dat deze wordt onderschept, en waar we problemen binnen enkele seconden kunnen oplossen die momenteel jaren zouden duren."

"Dit is niet alleen maar fantasie; het is de potentiële toekomst die wordt aangedreven door kwantumtechnologieën en onderzoek zoals het onze baant de weg."

Meer informatie: Akram Youssry et al, Experimentele identificatie en controle van het Graybox-kwantumsysteem, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-023-00795-5

Yang Yang et al, Programmeerbare hoogdimensionale Hamiltoniaan in een fotonische golfgeleiderarray, Natuurcommunicatie (2024). DOI:10,1038/s41467-023-44185-z

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie , npj Quantum-informatie

Geleverd door RMIT University