Optisk chip beskytter kvanteteknologien mod fejl

I dagens digitale infrastruktur, de data-bits, vi bruger til at sende og behandle informationer, kan enten være 0 eller 1. At kunne rette mulige fejl, der kan opstå i beregninger ved hjælp af disse bits, er en vital del af informationsbehandlings- og kommunikationssystemer. Men en kvantecomputer bruger kvantebit, som kan være en slags blanding af 0 og 1, kendt som kvantesuperposition. Denne blanding er afgørende for deres kraft - men den gør fejlkorrektion langt mere kompliceret.

Forskere fra DTU Fotonik har været med til at skabe den største og mest komplekse fotoniske kvanteinformationsprocessor til dato - på en mikrochip. Den bruger enkelte partikler af lys som sine kvantebits, og demonstrerer en række fejlkorrektionsprotokoller med fotoniske kvantebits for første gang.

"Vi lavede en ny optisk mikrochip, der behandler kvanteinformation på en sådan måde, at den kan beskytte sig selv mod fejl ved hjælp af sammenfiltring. Vi brugte et nyt design til at implementere fejlkorrektionsskemaer, og bekræftet, at de fungerer effektivt på vores fotoniske platform, " siger Jeremy Adcock, postdoc ved DTU Fotonik og medforfatter til Naturfysik papir.

Denne forskning er vigtig, fordi fejlkorrektion er nøglen til at udvikle kvantecomputere i stor skala, som vil låse op for nye algoritmer til f.eks. kemiske simuleringer i stor skala og hurtigere maskinlæring.

En nøgleapplikation kunne være lægemiddelopdagelse. Nutidens computere kan ikke simulere store molekyler og deres interaktioner, for eksempel når du introducerer et lægemiddelmolekyle til menneskekroppen. I dagens computere, størrelsen af ​​klassisk beregning vokser eksponentielt med størrelsen af ​​de involverede molekyler. Men for fremtidige kvantecomputere, mere effektive algoritmer er kendt, som ikke blæser op i beregningsomkostninger.

Dette er blot et af de problemer, som fremtidens kvanteteknologi lover at løse, ved at kunne behandle information ud over de grundlæggende grænser for traditionelle computere. Men for at nå dette mål, vi skal gå småt:

"Chip-skala-enheder er et vigtigt skridt fremad, hvis kvanteteknologien skal skaleres op for at vise en fordel i forhold til klassiske computere. Disse systemer vil kræve millioner af højtydende komponenter, der opererer ved de hurtigst mulige hastigheder, noget, der kun opnås med mikrochips og integrerede kredsløb, som er muliggjort af den ultraavancerede halvlederfremstillingsindustri, " siger medforfatter Yunhong Ding, seniorforsker ved DTU Fotonik.

For at realisere kvanteteknologi, der går ud over nutidens kraftfulde computere, kræver det at skalere denne teknologi yderligere. I særdeleshed, fotonkilderne (lyspartikler) på denne chip er ikke effektive nok til at bygge kvanteteknologi af nyttig skala.

"På DTU vi arbejder nu på at øge effektiviteten af ​​disse kilder – som i øjeblikket har en effektivitet på kun 1 procent – ​​til næsten enhed. Med en sådan kilde, det burde være muligt at bygge kvantefotoniske anordninger af stærkt øget skala, og høste fordelene af kvanteteknologiens naturlige fysiske fordel i forhold til klassiske computere i behandling, kommunikerer, og indhente information, siger postdoc på DTU Fotonik, Jeremy Adcock.

"Med mere effektive fotonkilder, vi vil være i stand til at bygge flere og forskellige ressourcetilstande, som vil muliggøre større og mere komplekse beregninger, samt sikker kvantekommunikation med ubegrænset rækkevidde."