Op het gebied van kwantumcomputing houdt het vermogen om informatie op kwantumniveau te manipuleren en verwerken de belofte van revolutionaire vooruitgang in. Een van de belangrijkste uitdagingen op dit gebied ligt in de creatie en controle van kwantumbits, of qubits, die dienen als de fundamentele eenheden van kwantuminformatie. Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Gerhard Rempe van het Max Planck Instituut voor Quantum Optics (MPQ) in Garching, Duitsland, een belangrijke doorbraak bereikt door ‘vliegende qubits’ te genereren – individuele fotonen die kwantuminformatie dragen. Deze ontwikkeling breidt de toolkit voor kwantuminformatieverwerking uit en opent nieuwe mogelijkheden voor kwantumcommunicatie en -berekening.

Het concept van vliegende qubits

Traditionele qubits zijn doorgaans stationair en opgesloten in zorgvuldig gecontroleerde omgevingen. Vliegende qubits zijn daarentegen fotonen die vrij door de ruimte kunnen reizen en kwantuminformatie over lange afstanden kunnen vervoeren. Het genereren van vliegende qubits omvat nauwkeurige manipulatie van fotonen om kwantumtoestanden te coderen en hun samenhang tijdens transmissie te behouden.

De experimentele opstelling

In hun experiment gebruikte het MPQ-team een ​​techniek genaamd holte-kwantumelektrodynamica (cavity QED). Deze techniek omvat het plaatsen van atomen in een zeer verfijnde optische holte, die bestaat uit twee sterk reflecterende spiegels die naar elkaar toe zijn gericht. Wanneer een atoom wordt opgewonden, kan het een foton uitzenden dat interageert met het elektromagnetische veld van de holte, waardoor een sterke koppeling tussen het atoom en het foton ontstaat. Door de interacties tussen atomen en fotonen zorgvuldig te controleren, konden de onderzoekers vliegende qubits genereren en manipuleren.

Belangrijkste bevindingen en implicaties

De succesvolle generatie van vliegende qubits vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de verwerking van kwantuminformatie. Deze ontwikkeling maakt de implementatie van kwantumoperaties op fotonen mogelijk, zoals kwantumpoorten en verstrengeling, die essentieel zijn voor kwantumcomputers en kwantumcommunicatie. Vliegende qubits bieden verschillende voordelen ten opzichte van stationaire qubits, waaronder hun vermogen om lange afstanden af ​​te leggen zonder decoherentie en hun compatibiliteit met bestaande optische communicatie-infrastructuur.

De mogelijkheid om vliegende qubits te genereren en te controleren opent nieuwe mogelijkheden voor kwantumnetwerken, kwantumcryptografie en kwantumsensoren. Door vliegende qubits te combineren met andere kwantumtechnologieën, zoals kwantumgeheugens en kwantumrepeaters, willen onderzoekers schaalbare kwantumsystemen bouwen en de weg vrijmaken voor praktische toepassingen van kwantumtechnologie.

Conclusie

De generatie van vliegende qubits door het onderzoeksteam van MPQ vertegenwoordigt een belangrijke mijlpaal in de verwerking van kwantuminformatie. Door gebruik te maken van de kracht van zich vrij voortplantende fotonen, breidt deze prestatie het alfabet van gegevensverwerking op kwantumniveau uit. Terwijl onderzoekers technieken voor het manipuleren van vliegende qubits blijven onderzoeken en verfijnen, komen we dichter bij het realiseren van het volledige potentieel van quantum computing en quantumcommunicatie, wat transformatieve vooruitgang op verschillende wetenschappelijke en technologische gebieden belooft.