De race om kwantumcomputers te ontwikkelen is de afgelopen jaren enorm toegenomen. State-of-the-art systemen kunnen nu eenvoudige algoritmen uitvoeren met behulp van tientallen qubits (of kwantumbits), de bouwstenen van kwantumcomputers.

Een groot deel van dit succes is behaald in zogenaamde gate-gebaseerde kwantumcomputers. Deze computers gebruiken fysieke componenten, met name supergeleidende circuits, om de qubits te hosten en te controleren. Deze aanpak lijkt veel op conventionele, op apparaten gebaseerde klassieke computers. De twee computerarchitecturen zijn dus relatief compatibel en kunnen samen worden gebruikt. Bovendien zouden toekomstige kwantumcomputers kunnen worden vervaardigd door gebruik te maken van de technologieën die worden gebruikt om conventionele computers te vervaardigen.

Maar het Optical Quantum Computing Research Team van het RIKEN Center for Quantum Computing heeft een heel andere aanpak gevolgd. In plaats van op poorten gebaseerde kwantumcomputers te optimaliseren, hebben Atsushi Sakaguchi, Jun-ichi Yoshikawa en teamleider Akira Furusawa op metingen gebaseerde kwantumcomputers ontwikkeld.

Op metingen gebaseerd computergebruik

Op metingen gebaseerde kwantumcomputers verwerken informatie in een complexe kwantumtoestand die bekend staat als een clustertoestand, die bestaat uit drie (of meer) qubits die met elkaar zijn verbonden door een niet-klassiek fenomeen dat verstrengeling wordt genoemd. Van verstrengeling is sprake wanneer de eigenschappen van twee of meer kwantumdeeltjes met elkaar verbonden blijven, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar gescheiden zijn.

Op metingen gebaseerde kwantumcomputers werken door een meting uit te voeren op de eerste qubit in de clusterstatus. De uitkomst van deze meting bepaalt welke meting moet worden uitgevoerd op de tweede verstrengelde qubit, een proces dat feedforward wordt genoemd. Dit bepaalt vervolgens hoe de derde moet worden gemeten. Op deze manier kan elke kwantumpoort of elk circuit worden geïmplementeerd door de juiste keuze van de reeks metingen.

Op metingen gebaseerde schema's zijn zeer efficiënt wanneer ze worden gebruikt op optische kwantumcomputers, omdat het gemakkelijk is om een ​​groot aantal kwantumtoestanden in een optisch systeem te verstrikken. Dit maakt een op metingen gebaseerde kwantumcomputer potentieel schaalbaarder dan een op poorten gebaseerde kwantumcomputer. Voor dat laatste moeten qubits nauwkeurig worden gefabriceerd en afgestemd op uniformiteit en fysiek met elkaar worden verbonden. Deze problemen worden automatisch opgelost door gebruik te maken van een op metingen gebaseerde optische kwantumcomputer.

Belangrijk is dat op metingen gebaseerde kwantumberekeningen programmeerbaarheid in optische systemen bieden. "We kunnen de werking veranderen door alleen de meting te veranderen", zegt Sakaguchi. "Dit is veel eenvoudiger dan het veranderen van de hardware, zoals gated-gebaseerde systemen vereisen in optische systemen."

Maar feedforward is essentieel. “Feedforward is een controlemethodologie waarbij we de meetresultaten als een vorm van controle naar een ander deel van het systeem sturen”, legt Sakaguchi uit. "Bij op metingen gebaseerde kwantumberekeningen wordt feedforward gebruikt om de inherente willekeur in kwantummetingen te compenseren. Zonder feedforward-operaties wordt op metingen gebaseerde kwantumberekeningen probabilistisch, terwijl praktische kwantumcomputers deterministisch zullen moeten zijn."

Het Optical Quantum Computing Research Team en hun collega’s – van de Universiteit van Tokio, Palacký University in Tsjechië, de Australian National University en de University of New South Wales, Australië – hebben nu een geavanceerdere vorm van feedforward gedemonstreerd:niet-lineaire voorwaarts. Niet-lineaire feedforward is vereist om het volledige scala aan potentiële poorten in op optica gebaseerde kwantumcomputers te implementeren. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

"We hebben nu experimenteel niet-lineaire kwadratuurmetingen gedemonstreerd met behulp van een nieuwe niet-lineaire feedforward-technologie", legt Sakaguchi uit. "Dit type meting was voorheen een barrière voor het realiseren van universele kwantumoperaties in op optische metingen gebaseerde kwantumberekeningen."

Optische computers

Optische kwantumcomputers gebruiken qubits gemaakt van golfpakketten van licht. Bij andere instellingen hadden enkele leden van het huidige RIKEN-team eerder de grote optische clustertoestanden geconstrueerd die nodig zijn voor op metingen gebaseerde kwantumberekeningen. Lineaire feedforward is ook bereikt om eenvoudige poortoperaties te construeren, maar geavanceerdere poorten hebben niet-lineaire feedforward nodig.

In 2016 werd een theorie voor de praktische implementatie van niet-lineaire kwadratuurmetingen voorgesteld. Maar deze aanpak bracht twee grote praktische problemen met zich mee:het genereren van een speciale hulptoestand (die het team in 2021 bereikte) en het uitvoeren van een niet-lineaire feedforward-operatie.

Het team overwon deze laatste uitdaging met complexe optica, speciale elektro-optische materialen en ultrasnelle elektronica. Om dit te doen maakten ze gebruik van digitale geheugens, waarin de gewenste niet-lineaire functies vooraf werden berekend en in het geheugen werden vastgelegd. "Na de meting hebben we het optische signaal omgezet in een elektrisch signaal", legt Sakaguchi uit. "Bij lineaire feedforward versterken of verzwakken we dat signaal alleen maar, maar bij niet-lineaire feedforward moesten we een veel complexere verwerking uitvoeren."

De belangrijkste voordelen van deze niet-lineaire feedforward-techniek zijn de snelheid en flexibiliteit. Het proces moet snel genoeg zijn zodat de uitvoer kan worden gesynchroniseerd met de optische kwantumtoestand.

"Nu we hebben aangetoond dat we niet-lineaire feedforward kunnen uitvoeren, willen we dit toepassen op daadwerkelijke op metingen gebaseerde kwantumberekeningen en kwantumfoutcorrectie met behulp van ons eerder ontwikkelde systeem", zegt Sakaguchi. "En we hopen de hogere snelheid van onze niet-lineaire feedforward te kunnen verhogen voor snelle optische kwantumberekeningen."

"Maar de belangrijkste boodschap is dat, hoewel op supergeleidende circuits gebaseerde benaderingen wellicht populairder zijn, optische systemen een veelbelovende kandidaat zijn voor quantumcomputerhardware", voegt hij eraan toe.

Meer informatie: Atsushi Sakaguchi et al., Niet-lineaire feedforward die kwantumberekeningen mogelijk maakt, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39195-w

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door RIKEN