AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Chinese onderzoekers zetten record met fotonische kwantumchip
Chinese wetenschappers hebben op een programmeerbare siliciumchip de grootste verstrengelde kwantumtoestand ooit met licht gemaakt. Het bedrijf Sizhen Chip en de University of Science and Technology of China genereerden een toestand met 16 qubits, verdeeld over 4 fotonen. De doorbraak moet de weg vrijmaken voor kwantumcomputers met miljoenen qubits, gebouwd met licht in plaats van elektronen.
Een team van het Chinese bedrijf Hefei Sizhen Chip Technology en de University of Science and Technology of China (USTC) heeft op een zelfontwikkelde fotonische geïntegreerde schakeling een record gevestigd. De onderzoekers wisten een stabiele, sterk verstrengelde toestand te maken met 4 fotonen die samen 16 qubits vertegenwoordigen. Volgens het team is dit de grootste kwantumtoestand die ooit op een optische chip is aangetoond. De resultaten zijn als preprint gepubliceerd op arXiv.
Meer bits uit minder fotonen
Fotonen, de deeltjes waaruit licht bestaat, zijn aantrekkelijk voor kwantumcomputers omdat ze nauwelijks storing van hun omgeving ondervinden. Het probleem is dat het extreem lastig is om veel fotonen tegelijk te maken en met elkaar te verstrengelen: hoe meer fotonen nodig zijn, hoe kleiner de kans dat de bewerking lukt. De Chinese onderzoekers omzeilden dit door niet simpelweg meer fotonen te gebruiken, maar door de route die een enkel foton door de chip aflegt te benutten als extra informatiedrager. Daardoor kon één foton meerdere qubits coderen. Een chip met vier programmeerbare meetmodules stuurde de fotonen langs verschillende paden en voerde vervolgens gerichte metingen uit om de gewenste kwantumtoestand op te bouwen.
Rekenen door te meten
De techniek achter deze aanpak heet meetgebaseerd kwantumrekenen. In plaats van de gebruikelijke methode, waarbij een kwantumcomputer stap voor stap logische bewerkingen op qubits uitvoert, wordt bij deze aanpak eerst een groot verstrengeld netwerk van qubits gemaakt. Alle rekenwerk gebeurt daarna door gerichte metingen op losse qubits. Dat is vooral handig voor licht, omdat twee fotonen elkaar in de praktijk nauwelijks direct kunnen beïnvloeden, wat normale kwantumbewerkingen tussen fotonen erg onbetrouwbaar maakt. Door te meten in plaats van te schakelen, omzeilt het team dat probleem. Naast de recordtoestand met 16 qubits liet de groep ook zien dat een kleinere opstelling met 4 qubits het zoekalgoritme van Grover kon uitvoeren, met een score van bijna 99 procent correcte uitkomsten.
Op weg naar veel grotere chips
Sizhen Chip noemt zichzelf naar eigen zeggen het eerste Chinese bedrijf dat dit soort grootschalige verstrengelde netwerken op een chip heeft gebouwd. Het bedrijf stelt dat de resultaten een kwantumcomputer met miljoenen qubits dichterbij brengen, al is dat nog een verre stap: de huidige proef draait om enkele tientallen qubits, terwijl praktisch bruikbare kwantumcomputers waarschijnlijk honderdduizenden tot miljoenen foutvrije qubits nodig hebben. Een vervolgtechniek die de onderzoekers noemen, fusion-based quantum computing, moet dat soort opschaling met een hogere foutbestendigheid mogelijk maken. Voorlopig blijft het bij een laboratoriumdemonstratie, maar de combinatie van programmeerbare siliciumchips en slimme foton-encodering laat zien dat fotonica een serieus alternatief blijft voor de gangbare kwantumchips op basis van supergeleiders of ionvallen.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze proef laat zien dat je met relatief weinig fotonen toch grote verstrengelde kwantumtoestanden kunt bouwen, wat een belangrijke bottleneck van fotonische kwantumcomputers verlicht. Als de aanpak opschaalbaar blijkt, kan licht een serieus alternatief worden voor de elektronische en supergeleidende chips die nu de meeste kwantumcomputers aandrijven. Het brengt praktische toepassingen, zoals sneller zoeken in grote datasets, in theorie dichterbij, al is de weg naar miljoenen bruikbare qubits nog lang.
- Fotonische geïntegreerde schakeling
- Een chip die met lichtdeeltjes (fotonen) in plaats van elektrische stroom informatie verwerkt.
- Qubit
- De kwantumversie van een bit; kan door superpositie tegelijk meerdere waarden aannemen.
- Verstrengeling
- Een kwantummechanisch verband tussen deeltjes waarbij de toestand van het ene deeltje direct samenhangt met die van het andere, ongeacht de afstand.
- GHZ-toestand
- Een specifieke, sterk verstrengelde kwantumtoestand van meerdere qubits, vernoemd naar de natuurkundigen Greenberger, Horne en Zeilinger.
- Clusterstaat (graph state)
- Een netwerk van verstrengelde qubits dat als grondstof dient voor meetgebaseerd kwantumrekenen.
- Meetgebaseerd kwantumrekenen
- Een manier van kwantumrekenen waarbij eerst een groot verstrengeld qubitnetwerk wordt gemaakt en alle berekeningen daarna via metingen op losse qubits verlopen.
- Grover-algoritme
- Een kwantumalgoritme dat sneller een specifiek item in een ongesorteerde lijst kan vinden dan een klassieke computer.
- Fusion-based quantum computing
- Een op meetgebaseerd rekenen voortbouwende architectuur die kleinere verstrengelde qubitgroepjes samenvoegt, met als doel kwantumcomputers beter bestand te maken tegen fouten.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
