AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Chinese natuurkundigen verstrengelen 13 lichtdeeltjes zonder ze te vernietigen
Onderzoekers van Tsinghua University hebben voor het eerst 13 qubits van microgolflicht met elkaar verstrengeld zonder de lichtdeeltjes daarbij te vernietigen. De doorbraak, gepubliceerd in Nature Physics, maakt het mogelijk om kleinere kwantumnetwerken programmeerbaar aan elkaar te koppelen tot grotere systemen, een belangrijke stap richting bruikbare kwantumcomputers en kwantuminternet.
Kwantumcomputers moeten ooit rekenwerk doen dat voor gewone computers onmogelijk is. Daarvoor zijn veel qubits nodig die samenwerken via verstrengeling, een kwantumverschijnsel waarbij de toestand van deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden is. Het probleem: hoe groter het netwerk van verstrengelde deeltjes, hoe moeilijker het is om dat netwerk op te bouwen zonder dat de deeltjes zelf verloren gaan.
Een team onder leiding van onderzoeker Hongyi Zhang van Tsinghua University in Peking loste dit op door kleine groepjes verstrengelde microgolffotonen samen te voegen tot één groot netwerk, een zogeheten grafentoestand. Dat soort netwerken is een belangrijke bouwsteen voor kwantumcommunicatie en voor een rekenmethode waarbij berekeningen worden uitgevoerd door gerichte metingen op verstrengelde deeltjes.
Het probleem met bestaande technieken
Normaal gesproken worden zulke netwerken samengevoegd via een proces dat 'fusie' heet. Bij optische systemen werkt dat meestal met kansberekening: de fusie lukt soms wel, soms niet. Mislukte pogingen moeten dan opnieuw, wat extra apparatuur en tijd kost en het opschalen naar grotere netwerken lastig maakt.
Meten zonder te vernietigen
De Chinese onderzoekers gebruikten in plaats daarvan een supergeleidend circuit en een speciale meettechniek die informatie uit fotonen haalt zonder de fotonen zelf te vernietigen. Deze kwantum-nondemolitiemeting projecteert een paar fotonen naar een specifieke verstrengelde toestand, een zogeheten Bell-toestand, waardoor twee kleinere netwerken naadloos aan elkaar worden geknoopt. Door de frequentie van de fotonen aan te passen, kunnen de onderzoekers precies bepalen welke paren worden gemeten en dus hoe het netwerk groeit. Dat maakt het proces, in de woorden van Zhang, 'deterministisch, programmeerbaar en niet-destructief' in plaats van afhankelijk van toeval.
Om verstoring door de omgeving tegen te gaan, bekend als decoherentie, zetten de onderzoekers qubits actief terug en hergebruikten ze die, aangevuld met technieken om fouten te beperken. Het resultaat: een netwerk van 13 fotonische qubits waarbij de verstrengeling zich over de hele groep uitstrekte in plaats van beperkt te blijven tot losse kleinere groepjes, ook wel multipartiete verstrengeling genoemd.
Nog geen kwantumcomputer
De demonstratie bewijst dat de methode werkt, maar een praktische, grootschalige kwantumcomputer is dit nog niet. Daarvoor moeten onder meer de nauwkeurigheid van de apparatuur, de efficiëntie waarmee fotonen worden gemaakt en de prestaties van de detectoren flink verbeteren. Het team werkt daarom aan opstellingen met meerdere detectoren tegelijk, die nog grotere en complexere netwerken moeten kunnen bouwen. Of die aanpak op grote schaal net zo goed blijft werken, moet toekomstig onderzoek uitwijzen.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze techniek maakt het mogelijk om kwantumnetwerken stap voor stap en op bestelling op te bouwen uit kleinere, herbruikbare bouwstenen in plaats van in één keer een groot en kwetsbaar systeem te maken. Dat kan de weg vrijmaken voor praktischer kwantumcommunicatie, een toekomstig kwantuminternet en krachtigere vormen van kwantumfoutcorrectie.
- Qubit
- De kwantumversie van een bit, die door kwantumeffecten tegelijk meerdere waarden kan aannemen.
- Verstrengeling
- Een kwantumverschijnsel waarbij de toestand van deeltjes zo verbonden is dat ze niet los van elkaar beschreven kunnen worden, ook niet op afstand.
- Grafentoestand
- Een netwerk van verstrengelde qubits dat als bouwsteen dient voor kwantumcommunicatie en bepaalde vormen van kwantumrekenen.
- Decoherentie
- Het verlies van fragiele kwantumeigenschappen doordat een systeem in contact komt met zijn omgeving.
- Fusie
- Het proces waarbij kleinere verstrengelde groepen deeltjes worden samengevoegd tot een groter netwerk.
- Kwantum-nondemolitiemeting
- Een meettechniek die informatie uit een kwantumsysteem haalt zonder het systeem zelf te vernietigen.
- Bell-toestand
- Een specifieke, maximaal verstrengelde toestand van twee deeltjes, veel gebruikt als bouwsteen in kwantumtechnologie.
- Multipartiete verstrengeling
- Verstrengeling die zich uitstrekt over drie of meer deeltjes tegelijk, in plaats van slechts een paar.
- Microgolffoton
- Een lichtdeeltje met een golflengte in het microgolfgebied, vaak gebruikt in supergeleidende kwantumcircuits.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
