Mere effektive optiske kvanteporte

Fremtidige kvantecomputere forventes ikke kun at løse særligt vanskelige computeropgaver, men også at være forbundet til et netværk for sikker udveksling af data. I princippet kunne kvanteporte bruges til disse formål. Men indtil nu har det ikke været muligt at realisere dem med tilstrækkelig effektivitet. Ved en sofistikeret kombination af flere teknikker har forskere ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) nu taget et stort skridt hen imod at overvinde denne forhindring.

I årtier er computere blevet hurtigere og mere kraftfulde for hver ny generation. Denne udvikling gør det muligt hele tiden at åbne op for nye applikationer, for eksempel i systemer med kunstig intelligens. Men yderligere fremskridt bliver stadig sværere at opnå med etableret computerteknologi. Derfor retter forskerne nu blikket mod alternative, helt nye koncepter, som i fremtiden kan bruges til nogle særligt vanskelige computeropgaver. Disse begreber omfatter kvantecomputere.

Deres funktion er ikke baseret på kombinationen af ​​digitale nuller og enere – de klassiske bits – som det er tilfældet med konventionelle, mikroelektroniske computere. I stedet bruger en kvantecomputer kvantebits, eller qubits for korte, som de grundlæggende enheder til kodning og behandling af information. De er modstykker til bits i kvanteverdenen - men adskiller sig fra dem i et afgørende træk:Qubits kan ikke kun antage to faste værdier eller tilstande som nul eller én, men også værdier derimellem. I princippet giver dette mulighed for at udføre mange computerprocesser samtidigt i stedet for at behandle den ene logiske operation efter den anden.

Tapsikker kommunikation med optiske qubits

"Der er forskellige måder at implementere begrebet qubits fysisk på," siger Thomas Stolz, der har forsket i det grundlæggende ved kvantecomputere ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching. "En af dem er optiske fotoner." Og i deres forskning stolede Stolz og hans kolleger i teamet ledet af Dr. Stephan Dürr og MPQ-direktør Prof. Dr. Gerhard Rempe også på sådanne lyspartikler fra det synlige spektralområde. "En fordel ved fotoner som informationsbærere i en kvantecomputer er deres lave interaktion med hinanden og med miljøet," forklarer Stolz. "Dette forhindrer, at sammenhængen, som er nødvendig for eksistensen af ​​qubits, hurtigt bliver ødelagt af eksterne forstyrrelser." Derudover kan fotoner transporteres over lange afstande, for eksempel i en optisk fiber. "Dette gør dem til en særlig lovende kandidat til at bygge kvantenetværk," siger Stolz:Forbindelser af adskillige kvantecomputere, over hvilke krypterede data kan overføres ubetinget sikkert - og pålideligt beskyttet mod aflytningsforsøg.

De grundlæggende komponenter i en kvantecomputer - og dermed også i et kvantenetværk - er kvanteporte. De svarer i deres funktionsmåde til de logiske porte, der bruges i konventionelle computermaskiner, men er skræddersyet til de særlige egenskaber ved qubits. "Kvanteporte til qubits implementeret i fangede ioner eller superledende materialer er i øjeblikket de mest teknisk avancerede," forklarer Stephan Dürr. "Men at realisere et sådant element med fotoner er meget mere udfordrende." For i dette tilfælde bliver fordelen ved svage interaktioner til en håndgribelig ulempe. For, for at kunne bearbejde information, skal lyspartiklerne kunne påvirke hinanden. Forskerne ved MPQ har vist, hvordan dette effektivt kan opnås i et papir, som nu er blevet offentliggjort i det åbne tidsskrift Physical Review X .

Tidligere forsøg på at realisere kvanteporte, der forbinder to fotoner til hinanden, har kun været delvist succesfulde. De led hovedsageligt under deres lave effektivitet på i bedste fald 11 %. Det betyder, at en stor del af lyspartiklerne, og dermed også af dataene, går tabt, mens de behandles i kvantesystemet - en mangel, især når adskillige kvanteporte skal forbindes fortløbende i et kvantenetværk, og tab summerer sig som en resultat. "I modsætning hertil er det lykkedes for første gang at realisere en optisk to-qubit-gate med en gennemsnitlig effektivitet på mere end 40 %," rapporterer Stephan Dürr - næsten fire gange den tidligere rekord.

Ultrakolde atomer i en resonator

"Selve grundlaget for denne succes var brugen af ​​ikke-lineære komponenter," forklarer Stolz. De er indeholdt i en ny eksperimentel platform, som teamet på MPQ udviklede specifikt til eksperimentet og installerede i laboratoriet. Derved kunne forskerne bygge videre på deres erfaringer fra tidligere arbejde, de havde publiceret i 2016 og 2019. En konklusion herfra var, at det er nyttigt for informationsbehandling med fotoner at bruge en kold atomart, hvori nogle få atomer er meget spændte energisk. "Atomerne formidler den nødvendige interaktion mellem fotonerne," forklarer Stolz. "Tidligere arbejde har dog også vist, at tætheden af ​​atomerne ikke må være for høj, ellers bliver den kodede information hurtigt slettet ved kollisioner mellem atomerne." Derfor brugte forskerne nu en atomart gas med lav massefylde, som de afkølede til en temperatur på 0,5 mikrokelvin - en halv milliontedel af en grad over det absolutte nulpunkt ved minus 273,15 grader Celsius. "Som en ekstra forstærker til interaktionen mellem fotonerne placerede vi de ultrakolde atomer mellem spejlene på en optisk resonator," rapporterer Stolz.

Dette førte til succesen med eksperimentet, hvor kvanteporten behandlede de optiske qubits i to trin:En første foton, kaldet kontrolfoton, blev introduceret i resonatoren og lagret der. Derefter kom en anden foton, kaldet målfoton, ind i opsætningen og blev reflekteret fra resonatorspejlene - "det øjeblik, hvor interaktionen fandt sted," understreger Stolz. Til sidst forlod begge fotoner kvanteporten - sammen med informationen påtrykt dem. For at dette kunne virke brugte fysikerne et andet trick. Dette er baseret på elektronexcitationer af gasatomerne til meget høje energiniveauer, kaldet Rydberg-tilstande. "Dette får det exciterede atom - i det klassiske billede - til at udvide sig enormt," forklarer Stolz. Det når en radius på op til en mikrometer - flere tusinde gange atomets normale størrelse. Atomerne i resonatoren, der pustes op på denne måde, gør det så muligt for fotonerne at have en tilstrækkelig stærk effekt på hinanden. Dette forårsager dog i første omgang kun et faseskift. Derudover er lyset opdelt i forskellige baner, der senere overlejres. Kun den kvantemekaniske interferens under denne superposition gør faseskiftet til en kvanteport.

Målet:Skalerbare kvantesystemer

Eksperimentet blev forudgået af en omfattende teoretisk analyse. MPQ-teamet havde specielt udviklet en omfattende teoretisk model for at optimere designprocessen af ​​den nye forskningsplatform. Yderligere teoretiske undersøgelser viser måder, hvorpå forskerne håber at forbedre effektiviteten af ​​deres optiske kvanteport i fremtiden. De ønsker også at finde ud af, hvordan kvanteporten kan skaleres op til større systemer - ved at behandle adskillige qubits samtidigt. "Vores eksperimenter indtil videre har allerede vist, at det i princippet er muligt," siger Gerhard Rempe, direktør for gruppen. Han er overbevist:"Vores nye resultater vil være til stor nytte i udviklingen af ​​lysbaserede kvantecomputere og kvantenetværk." + Udforsk yderligere

En ny slags kvantecomputer