Er is aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van quantum computing. Grote mondiale spelers, zoals Google en IBM, bieden al cloudgebaseerde kwantumcomputingdiensten aan. Quantumcomputers kunnen echter nog niet helpen bij problemen die ontstaan ​​wanneer standaardcomputers de grenzen van hun capaciteiten bereiken, omdat de beschikbaarheid van qubits of quantumbits, oftewel de basiseenheden van quantuminformatie, nog steeds onvoldoende is.

Eén van de redenen hiervoor is dat kale qubits niet direct bruikbaar zijn voor het uitvoeren van een quantumalgoritme. Terwijl de binaire bits van gebruikelijke computers informatie opslaan in de vorm van vaste waarden van 0 of 1, kunnen qubits tegelijkertijd 0 en 1 vertegenwoordigen, waardoor de waarschijnlijkheid van hun waarde in het spel komt. Dit staat bekend als kwantumsuperpositie.

Hierdoor zijn ze erg gevoelig voor invloeden van buitenaf, waardoor de informatie die ze opslaan gemakkelijk verloren kan gaan. Om ervoor te zorgen dat quantumcomputers betrouwbare resultaten opleveren, is het nodig om een ​​echte verstrengeling te genereren door meerdere fysieke qubits samen te voegen tot een logische qubit. Mocht één van deze fysieke qubits uitvallen, dan behouden de andere qubits de informatie. Een van de grootste problemen die de ontwikkeling van functionele kwantumcomputers in de weg staan, is echter het grote aantal fysieke qubits dat nodig is.

Voordelen van een op fotonen gebaseerde aanpak

Er worden veel verschillende concepten gebruikt om quantum computing levensvatbaar te maken. Grote bedrijven vertrouwen momenteel bijvoorbeeld op supergeleidende solid-state systemen, maar deze hebben het nadeel dat ze alleen functioneren bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Fotonische concepten werken daarentegen bij kamertemperatuur.

Enkelvoudige fotonen dienen hier meestal als fysieke qubits. Deze fotonen, die in zekere zin kleine lichtdeeltjes zijn, werken inherent sneller dan solid-state qubits, maar gaan tegelijkertijd gemakkelijker verloren. Om qubit-verliezen en andere fouten te voorkomen, is het noodzakelijk om verschillende lichtpulsen van één foton aan elkaar te koppelen om een ​​logische qubit te construeren, zoals in het geval van de op supergeleiders gebaseerde benadering.

Een qubit met de inherente capaciteit voor foutcorrectie

Onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben samen met collega's van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) in Duitsland en de Palacký Universiteit Olomouc in Tsjechië onlangs een nieuwe manier gedemonstreerd om een ​​fotonische kwantumcomputer te construeren. In plaats van één enkel foton te gebruiken, gebruikte het team een ​​lasergegenereerde lichtpuls die uit meerdere fotonen kan bestaan. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Science .

"Onze laserpuls werd omgezet in een kwantumoptische toestand die ons een inherent vermogen geeft om fouten te corrigeren", aldus professor Peter van Loock van de Universiteit van Mainz. "Hoewel het systeem alleen uit een laserpuls bestaat en dus erg klein is, kan het in principe fouten onmiddellijk uitsluiten." Het is dus niet nodig om individuele fotonen als qubits te genereren via talloze lichtpulsen en ze vervolgens als logische qubits te laten interageren.

"We hebben slechts één enkele lichtpuls nodig om een ​​robuuste logische qubit te verkrijgen", aldus Van Loock. Met andere woorden:een fysieke qubit is in dit systeem al gelijkwaardig aan een logische qubit – een opmerkelijk en uniek concept. De logische qubit die experimenteel werd geproduceerd aan de Universiteit van Tokio was echter nog niet van voldoende kwaliteit om het noodzakelijke niveau van fouttolerantie te bieden. Niettemin hebben de onderzoekers duidelijk aangetoond dat het mogelijk is om niet-universeel corrigeerbare qubits om te zetten in corrigeerbare qubits met behulp van de meest innovatieve kwantumoptische methoden.

Meer informatie: Shunya Konno et al, Logische toestanden voor fouttolerante kwantumberekeningen met voortplantend licht, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adk7560

Olivier Pfister, Qubits zonder qubits, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adm9946

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Johannes Gutenberg Universiteit Mainz