Advertentie
Het grote probleem van de veelbelovende kwantumcomputers die de afgelopen jaren zijn gemaakt is dat deze slecht schaalbaar zijn. Dit komt doordat elke kwantumprocessor zodanig gekoeld moet worden dat deze maar beperkt groot kan worden gemaakt. Dit is op te lossen door simpelweg meer van deze kwantum processors in te zetten in een enkel systeem, maar hierbij is de verbinding tussen de twee processors een kriem om betrouwbaar te maken.
Het is niet de eerste keer dat onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) een doorbraak bereiken, maar dit nieuwe verbindingsapparaat kan een groot deel van de hierboven beschreven problemen verhelpen. Op dit moment lopen verbindingen in kwantumcomputers niet direct tussen kwantumprocessors, maar moesten deze door verschillende traditionele chips en interfaces heen om bij een andere processor te komen. Hierdoor moet data door verschillende onderdelen heen voordat het bij de plek van bestemming aankomt. Elk van deze sprongen zorgt niet alleen voor vertraging, maar verhoogt ook de kans op fouten aanzienlijk.
Ontdekking maakt directe verbinding tussen kwantum processors mogelijk
Met de nieuw ontworpen ‘quantum interconnect’ kunnen de processors direct data met elkaar uitwisselen. Het apparaatje gebruikt fotonen in de microgolffrequentie om data tussen de verschillende processors uit te kunnen wisselen. Hiervoor moest een supergeleidende draad ontwikkeld worden die in het ontwerp dient als een golfgeleider. Hieraan worden modules gekoppeld met elk vier qubits waarmee het apparaat fotonen in staat stelt om kwantum data te verzenden. Dit wordt gedaan door een proces waarbij de qubit in een hogere energiestaat gebracht wordt, waardoor deze een foton uitstraalt. Door de hierbij gebruikte energiepulsen vroegtijdig te stoppen kan hierbij een foton een soort ‘half verzonden’ worden. Hierdoor wordt er als het ware zowel een foton verzonden als dat deze in het apparaat achterblijft, en die twee (half)fotonen zijn dan met elkaar verstrengeld.
Om nauwkeurige en schaalbare kwantumcomputers te ontwikkelen is het nodig om twee deeltjes met elkaar te verstrengelen op een afstand. Door kwantumverstrengeling zijn de twee deeltjes met elkaar verbonden, wat betekent dat als één een bepaalde kwantumtoestand aanneemt dat de andere zich direct in diezelfde (of tegenovergestelde) toestand bevindt. Het is al enige tijd mogelijk om twee deeltjes met elkaar te verstrengelen en vervolgens fysiek ver weg van elkaar te brengen, terwijl de verbinding in stand blijft. Echter is dit niet zinvol in een kwantumcomputer omdat de kwantumdeeltjes die gebruikt worden voor de berekeningen niet eenvoudig met elkaar in direct contact gesteld kunnen worden, wat nodig zou zijn na elke berekening. Het meten van een van de deeltjes zorgt ervoor dat de verstrengeling direct opgeheven wordt.
Algoritme vereist om de technologie echt te laten werken
Overigens is het nieuw ontwikkelde proces van de onderzoekers ook allesbehalve perfect. Het verzenden van een foton door de golfgeleider is namelijk niet zonder problemen. Als deze namelijk op enig moment een interactie heeft met een ander deeltje gaat de verstrengeling verloren en kan de foton niet worden geabsorbeerd door de qubit bij de bestemming. Het team heeft daarom een algoritme ontwikkeld dat een foton ‘vorm’ bepaalt waarmee de nauwkeurigheid en kans van absorptie gemaximaliseerd wordt. Deze fotonen zijn te vormen door de energiepulsen die gebruikt worden om de foton te laten uitzenden door de qubit aan te passen. Door het optimalisatiealgoritme werden uiteindelijk 60% van de fotonen succesvol geabsorbeerd, wat hoog genoeg is om te bewijzen dat de methode werkt voor het verzenden van verstrengelde fotonen.
Toekomst van kwantumcomputers
Met de nieuwe kwantumverbinding van de onderzoekers is het dus mogelijk om verstrengelde fotonen door het supergeleidende medium te versturen, waarmee de verschillende kwantumprocessors informatie direct tussen elkaar kunnen verzenden. De verstrengelde foton die door de golfgeleider heengaat komt vervolgens bij een qubit aan in eenzelfde apparaat als waar deze vandaan kwam. Deze qubit absorbeert vervolgens de ‘half verstuurde’ foton, waarmee deze nu verstrengeld is met de qubit die de foton ‘half’ heeft verzonden. Hiermee is het dus mogelijk om qubits over een afstand met elkaar te verstrengelen, wat veel betere schaalbaarheid mogelijk maakt. Dit maakt veel grotere en sterkere kwantumcomputers mogelijk. In theorie is dit zelfs in te zetten voor een soort ‘kwantum internet’ waarmee kwantumcomputers over de hele wereld met elkaar verbonden kunnen worden.