O invenție de la Universitatea din Twente (UT) îmbunătățește calitatea particulelor de lumină (fotoni) într-o asemenea măsură încât construirea calculatoarelor cuantice bazate pe lumină devine mai ieftină și mai practică. Cercetătorii și-au publicat cercetările în revista Physical Review Applied anunță phys.org.
Calculatoarele cuantice se află într-un moment critic: giganții tehnologiei și guvernele investesc miliarde, dar există două obstacole fundamentale: cantitatea de qubiți și calitatea acestor qubiți. Cercetătorii UT au inventat o componentă pentru un computer cuantic fotonic care înlocuiește cantitatea cu calitatea și au arătat că acest schimb oferă mai multă putere de calcul.
„Descoperirea noastră aduce mult mai aproape un viitor cu computere cuantice puternice. Asta înseamnă medicamente îmbunătățite, materiale noi și comunicații mai sigure. Dar și aplicații pe care încă nu le putem imagina astăzi”, spune cercetătorul principal Jelmer Renema. „Această tehnologie este o parte esențială a oricărui viitor computer cuantic fotonic”.
Cercetătorii de la Twente au dezvoltat o metodă pentru a corecta aceste erori într-un stadiu incipient și pentru a îmbunătăți calitatea fotonilor. „Pentru un computer cuantic fotonic, ai nevoie de fotoni de o calitate extrem de înaltă. Tehnica noastră asigură că rămân doar cei mai buni fotoni, ceea ce este crucial pentru calcule fiabile”, spune Renema.
Deoarece calculatoarele cuantice sunt extrem de sensibile la erori, metodele anterioare necesitau sute de fotoni fizici pentru a obține un singur qubit stabil. Metoda cercetătorilor Twente poate înlocui o parte din corectarea erorilor necesară, necesitând mult mai puțini fotoni. Acest lucru face ca calculatoarele cuantice să fie mai ieftine și mai accesibile.
În timp ce metodele anterioare s-au concentrat pe corectarea erorilor de după efectuarea calculului cuantic, cercetătorii UT au abordat problema la sursă. Ei au proiectat o nouă componentă care poate distila convenabil un singur foton de înaltă calitate dintr-un amestec de fotoni imperfecți. Pentru a face acest lucru, au conceput un circuit optic format din ghiduri de lumină programabile și detectoare.
Prin exploatarea proprietăților cuantice ale luminii, ei au creat o stare asemănătoare pisicii Schrödinger, în care fotonii au mai multe șanse să-și asume proprietăți „bune” decât „rele”. Ca și în celebrul experiment de gândire al lui Schrödinger, măsurarea determină în cele din urmă dacă un foton și-a păstrat proprietățile dorite.
În loc să accepte fotonii imperfecți și să îi corecteze ulterior, noua metodă filtrează direct fotonii perfecți. Deși filtrarea fiecărui foton perfect necesită sacrificarea mai multor fotoni imperfecți, acest lucru reduce numărul total de fotoni necesari. Acest lucru economisește o cantitate enormă de putere de calcul și face calculatoarele cuantice mai ieftine și mai eficiente.
Folosind un circuit optic cu comutatoare programabile, cercetătorii pot filtra fotonii neconformi fără a fi nevoie să știe exact ce cauzează eroarea. „În mod normal, trebuie să decideți în avans ce filtrați, cum ar fi un filtru de culoare care lasă doar lumina roșie să treacă. Acum putem filtra fără să știm în prealabil care este problema”, spune Ph.D. student Frank Somhorst.
Dacă calculatoarele cuantice fotonice sunt vreodată implementate la scară largă, cercetătorii spun că această invenție Twente va fi o parte fundamentală a acesteia. Ca și în cazul computerelor clasice, același lucru este valabil și pentru computerele cuantice: intrarea eronată a datelor duce la rezultate eronate. Prin abordarea considerabilă a erorilor din partea din față a sistemului, de dinaintea efectuării calculului cuantic, este mai puțină nevoie de corecție ulterior. „Orice computer cuantic fotonic practic va avea nevoie de această tehnică pentru a efectua calcule fără erori”, spune Renema.
„Twente are o poziție puternică în fotonică și tehnologia cuantică. Mai mulți cercetători UT cercetează fotonii de direcție cu interferență de ani de zile, iar asta ne oferă un avantaj unic. Datorită acestui avantaj, acum ne putem concentra pe calculul cuantic universal la scară largă și, în opinia mea, tocmai acesta este motivul pentru care acest lucru a trebuit să fie descoperit la UT”, conchide Renema.
Somhorst a publicat această cercetare împreună cu Kite Sauër, Stefan van den Hoven și Dr. Jelmer Renema
