En komplet platform til kvanteberegning

I et nyt banebrydende værk, forskere fra DTU har nu realiseret den komplette platform for en optisk kvantecomputer. Platformen er universel og skalerbar, det hele foregår ved stuetemperatur, og teknologien er direkte kompatibel med standard fiberoptiske netværk. Det sætter DTU helt på forkant med udviklingen.

Optiske kvantecomputere er længe blevet overskygget af superledende teknologier, der er blevet fremskyndet af enorme udviklingsprogrammer kørt hos techgiganter som IBM og Google. Situationen er nu ved at ændre sig, en af ​​årsagerne er en stribe pionerprojekter udført af forskere ved grundforskningscentret bigQ på DTU Fysik.

Faktisk, forskerne på DTU begrænser sig ikke til blot at udvikle individuelle komponenter til en optisk kvantecomputer eller bare en kvantesimulator. De arbejder målrettet på at udvikle en universel målebaseret optisk kvantecomputer.

Kan køre enhver vilkårlig algoritme

Selvom den type kvantecomputer, som DTU-forskerne udvikler, er konceptuelt meget anderledes end en almindelig computer, der er også ligheder.

Der er nogle grundlæggende logiske enheder (qubits), der bærer oplysningerne, og der er porte, der udfører operationer på en eller flere qubits, dermed implementere en algoritme.

Demonstrationen af ​​et såkaldt universelt portsæt - og implementeringen af ​​en række operationer ved hjælp deraf - er netop det, der udgør det nye fremskridt inden for optisk kvanteberegning.

"Vores demonstration af et universelt sæt af porte er helt afgørende. Det betyder, at enhver vilkårlig algoritme kan realiseres på vores platform givet de rigtige input, nemlig optiske qubits. Computeren er fuldt programmerbar, " siger Mikkel Vilsbøll Larsen, som har været den væsentligste drivkraft bag arbejdet, og som for nylig afsluttede sin ph.d. studier på DTU.

Skalering gør kvantecomputer praktisk relevant

Kvantecomputerens potentiale er enormt, og dets dramatisk øgede processorkraft i forhold til standard transistor-baserede computere vil muliggøre disruptiv innovation på en lang række områder af stor betydning for Danmark, såsom medicinalindustrien, optimering af transportsektoren, og udvikling af materialer til kulstofopsamling og -lagring.

En afgørende faktor for at opfylde dette potentiale er, at kvantecomputeren realiseres på en platform, der kan skaleres til tusindvis af qubits, forklarer seniorforsker Jonas S. Neergaard-Nielsen, som er en af ​​grundpillerne i arbejdet.

"Teoretisk set, der er ingen forskel på, om en kvantecomputer er baseret på superledende eller optiske qubits. Men der er en afgørende praktisk forskel. Superledende kvantecomputere er begrænset til antallet af qubits fremstillet på den specifikke processorchip. I vores system, vi skaber konstant nye og vikler dem kvantemekanisk sammen med dem, vi udfører beregninger på. Det betyder, at vores platform er let skalerbar."

"Ud over, vi behøver ikke at køle alt ned i store kryostater. I stedet, vi kan gøre det hele ved stuetemperatur i optiske fibre. At systemet er baseret på optiske fibre betyder også, at det kan kobles direkte til et fremtidigt kvanteinternet, uden vanskelige mellemled."

Forskerne passerede skaleringsmilepælen allerede tilbage i 2019, da - i en artikel i Videnskab - de redegjorde for hvordan, som nogle af de første i verden, de havde produceret den grundlæggende struktur for en målebaseret optisk kvantecomputer - en såkaldt todimensionel klyngetilstand med over 30, 000 sammenfiltrede lystilstande.

Ser allerede bestemt fremad

Selvom de måske bliver fristet til at hvile på laurbærrene i et stykke tid, holdet af forskere har allerede nye mål for øje.

Tidligere i år, de udviklede og patenterede en komplet teoretisk ramme for, hvordan deres teknologi også kan omfavne fejlkorrektion på lang sigt. Dette er en af ​​de store aktuelle udfordringer for kvantecomputerteknologi.

"Det er et vigtigt forskningsresultat, vi lige har offentliggjort, og vi er stolte af det. Men vores ambitioner rækker meget længere end som så. Det langsigtede mål er en kvantecomputer, der kan løse relevante problemer og opfylde det potentiale, vi alle stræber efter, " siger professor Ulrik L. Andersen, der er chef for bigQ og har superviseret hele forskningsprogrammet.

"Vi ved, hvad det kræver at placere vores nuværende teknologi på en optisk chip og indføre fejlkorrektion, og vi har de relevante internationale samarbejder på plads. Det samme gælder for erhvervslivet, hvor virksomheder er ivrige efter at udvikle use cases med os."

Med andre ord, forskerne på DTU er klar til de næste udfordringer og til at tage det næste skridt fra grundforskning til innovation. Faktisk, finansiering er det eneste, der mangler.

Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik .