Jon Simon (afb: Stanford)

Een nieuwe, op licht gebaseerde aanpak zou kwantumcomputers eindelijk helpen aan bruikbare hoeveelheden kwantumbits. Onderzoekers maakte minuscule optische holtes die efficiënt licht van afzonderlijke atomen zouden kunnen opvangen, waardoor veel kwabits tegelijk kunnen worden uitgelezen. Ze zouden al werkende chips met tientallen en zelfs honderden holtes hebben gedemonstreerd. Het uiteindelijke streven is miljoenen kwabits in een processor te fabriceren waarmee uiteindelijk de ‘superioriteit’ van de kwantumtechniek tegenover de digitale zou kunnen worden waargemaakt.
Al jaren wordt er geprutst aan de kwantumtechnologie om rekentuigen te maken die de grote beloftes kunnen waarmaken, maar tot nu toe zijn die nog steeds niet uitgekomen, niet in de laatste plaats door de grote ‘wankelmoedigheid’ van de kwantumtechniek. Die is nogal makkelijk van haar stuk te brengen, waardoor de uitkomsten van kwantumberekeningen voortdurend moeten worden verbeterd.
Volgens de onderzoekers lijkt aan die periode van onzekerheid nu een einde gekomen zijn (al zal het mij=as niet verbazen als er weer nieuwe beren op de weg naar een glanzende toekomst worden aangetroffen). Na jaren van trage vooruitgang zien onderzoekers mogelijk eindelijk een duidelijke weg voorwaarts in de zoektocht naar krachtige kwantumcomputers, stelt het persbericht. “Deze machines zullen naar verwachting de benodigde tijd voor bepaalde berekeningen drastisch verkorten, waardoor problemen die klassieke computers duizenden jaren zouden kosten, in uren kunnen worden voltooid.”

De natuurkundigen van, onder meer, de Stanforduniversiteit hebben een nieuw type optische holtes ontwikkeld die efficiënt individuele fotonen (lichtdeeltjes) kunnen opvangen die door afzonderlijke atomen worden uitgezonden. Deze atomen vormen de kerncomponenten van een kwantumcomputer zoals de onderzoekers die voor zich zien. Die zouden de kwabits zijn die in plaats van de digitale bits zouden komen als basisrekeneenheid. Voor het eerst zou deze aanpak het mogelijk mogelijk maken om informatie van alle kwabits tegelijk te verzamelen, denken de onderzoekers.

In hun artikel beschrijven de onderzoekers een ​​systeem dat bestaat uit 40 optische holtes, elk met een enkele atoomkwabit, samen met een groter prototype dat meer dan 500 holtes bevat. De resultaten wijzen op een realistische route naar de bouw van kwantumcomputernetwerken die op een dag wel een miljoen kwabits zouden kunnen omvatten.

Informatie lezen

“Als we een kwantumcomputer willen maken, moeten we informatie heel snel uit de kwantumbits kunnen lezen,” zegt Jon Simon, hoofdauteur van de studie en universitair docent toegepaste natuurkunde van Stanford. “Tot nu toe was er geen praktische manier om dat op grote schaal te doen, omdat atomen simpelweg niet snel genoeg licht uitzenden en dat bovendien in alle richtingen doen. Een optische holte kan uitgezonden licht efficiënt in een bepaalde richting leiden en nu hebben we een manier gevonden om elk atoom in een kwantumcomputer in zijn eigen individuele holte te plaatsen.”
Een optische holte werkt door licht op te sluiten tussen twee of meer reflecterende oppervlakken, waardoor het heen en weer kaatst. Het effect is te vergelijken met tussen spiegels in een lachspiegelpaleis staan, waar reflecties eindeloos lijken door te lopen. In wetenschappelijke omgevingen zijn deze holtes veel kleiner en gebruiken ze herhaalde passages van een laserstraal om informatie uit atomen te halen.
Hoewel optische holtes al decennialang worden bestudeerd, zijn ze moeilijk te gebruiken met atomen omdat atomen extreem klein en bijna transparant zijn. Het is een aanhoudende uitdaging gebleven om licht er voldoende mee te laten wisselwerken.

In plaats van te vertrouwen op vele herhaalde reflecties, introduceerden de onderzoekers microlenzen in elke holte om licht nauwkeurig op een enkel atoom te richten. Zelfs met minder lichtreflecties bleek deze methode effectiever in het verkrijgen van kwantuminformatie uit het atoom.
“We hebben een nieuw type holte-architectuur ontwikkeld”, zegt medeonderzoeker Adam Shaw. “Het zijn niet langer slechts twee spiegels. We hopen dat deze aanpak ons in staat zal stellen om aanzienlijk snellere, gedistribueerde kwantumcomputers te bouwen die met elkaar kunnen communiceren met veel hogere snelheden.”
Simon: “Een klassieke computer moet de mogelijkheden één voor één doorlopen op zoek naar het juiste antwoord. Een kwantumcomputer werkt echter als een koptelefoon met ruisonderdrukking die combinaties van antwoorden vergelijkt, de juiste versterkt en de verkeerde onderdrukt.”

Miljoenen kwabits

Wetenschappers schatten dat kwantumcomputers miljoenen kwabits nodig zullen hebben om de krachtigste supercomputers van vandaag te overtreffen. Volgens Simon zal het bereiken van dat niveau waarschijnlijk vereisen dat veel kwantumcomputers in grote netwerken worden verbonden. Het parallelle, op licht gebaseerde raakvlak die in deze studie is gedemonstreerd, biedt een efficiënte basis voor opschaling naar dergelijke omvang, stellen Simon en collega’s.
De onderzoekers toonden in de huidige studie een werkende processor met 40 holtes en een met meer dan 500 holtes. Hun volgende doel is om uit te breiden naar tienduizenden kwabits. Verder vooruitkijkend zien ze kwantumdatacentra voor zich waarin individuele kwantumcomputers via op holtes gebaseerde netwerkraakvlakken met elkaar verbonden zijn om volwaardige kwantumsupercomputers te vormen.

Er blijven aanzienlijke technische uitdagingen bestaan, stellen de onderzoekers, maar ze geloven dat de potentiële voordelen aanzienlijk zijn. Grootschalige kwantumcomputers zouden kunnen leiden tot doorbraken in materiaalontwerp en chemische synthese, inclusief toepassingen op het gebied van geneesmiddelenontwikkeling, evenals vooruitgang in het kraken van codes, wat niet zo best is als het gaatt om beveiliging van computers (lijkt me=as).

De mogelijkheid om licht efficiënt op te vangen heeft ook gevolgen die verder reiken dan computertechnologie. Die holtes zouden biosensoren en microscopie kunnen verbeteren, wat de vooruitgang in medisch en biologisch onderzoek zou kunnen helpen. Kwantumnetwerken zouden zelfs een bijdrage kunnen leveren aan de astronomie door optische telescopen met een verbeterde resolutie mogelijk te maken, waardoor wetenschappers mogelijk planeten die rond sterren buiten ons zonnestelsel draaien, rechtstreeks kunnen observeren.
Shaw: “Naarmate we meer begrijpen over hoe we licht op het niveau van individuele deeltjes kunnen manipuleren, denk ik dat dit ons vermogen om de wereld te zien drastisch zal veranderen.”

Bron: Science Daily