Onderzoekers hebben een cruciale mijlpaal bereikt in de ontwikkeling van fotonische kwantumcomputers, waarmee ze een nieuwe methode demonstreren om fouten te voorkomen voordat ze zich voordoen. Door gebruik te maken van een techniek die bekend staat als fotondestillatie hebben wetenschappers aangetoond dat het mogelijk is om “ruis” in op licht gebaseerde systemen te verminderen, waardoor een grote hindernis wordt weggenomen in de richting van het bouwen van grootschalige, fouttolerante kwantumcomputers.
Het fotonische voordeel en zijn achilleshiel
Om deze doorbraak te begrijpen, moet men eerst het fundamentele verschil begrijpen tussen de twee toonaangevende typen kwantumcomputers:
- Supergeleidende kwantumcomputers: Deze gebruiken elektronische circuits om qubits te maken. Hoewel ze krachtig zijn, genereren ze aanzienlijke hitte en vereisen ze extreme koeling tot bijna het absolute nulpunt om te kunnen functioneren.
- Fotonische kwantumcomputers: Deze gebruiken lichtdeeltjes (fotonen ) als qubits. Omdat fotonen voortdurend in beweging zijn, genereren ze heel weinig overtollige warmte, waardoor deze systemen mogelijk bij kamertemperatuur kunnen werken.
Deze mobiliteit is echter een tweesnijdend zwaard. Omdat fotonen met de snelheid van het licht bewegen en via complexe optische paden (spiegels en bundelsplitsers) met elkaar interacteren, zijn ze ongelooflijk ‘broos’. In een fotonisch systeem komen fouten vaak voort uit “schurkenfotonen” : deeltjes die niet op de juiste manier met andere omgaan en als nutteloze ruis door het systeem zweven.
De uitdaging: fouten vóór berekeningen
In de meeste kwantumsystemen vindt foutcorrectie plaats nadat er een fout is gemaakt. Dit is problematisch voor op licht gebaseerde systemen omdat de fouten vaak optreden voordat het foton zelfs maar als een qubit is verwerkt.
Zoals Jelmer Renema, hoofdwetenschapper bij QuiX Quantum, uitlegt, is fotonisch computergebruik inherent probabilistisch. Wanneer onderzoekers licht manipuleren, beheren ze in wezen de waarschijnlijkheden. Zonder een manier om de ‘slechte’ fotonen eruit te filteren, neemt de kans op een succesvolle berekening af telkens wanneer u meer componenten aan het systeem toevoegt. Bij traditionele schaling introduceert het toevoegen van meer qubits vaak meer fouten dan het oplost, waardoor een wiskundige muur ontstaat die verhindert dat computers groter of bruikbaarder worden.
De oplossing: fotonendestillatie
De doorbraak die in een recent onderzoek wordt beschreven, betreft een proces dat kwantumfotonische destillatie wordt genoemd. In plaats van te proberen een kapotte berekening te repareren, fungeert deze methode als een hightech filter.
Hoe het werkt:
- Kwantuminterferentie: Het systeem maakt gebruik van gespecialiseerde optische circuits om gebruik te maken van ‘kwantuminterferentie’, een fenomeen waarbij de waarschijnlijkheden van verschillende kwantumtoestanden samenkomen.
- Filteren van “bedrieglijke” fotonen: Het circuit is zo ontworpen dat de kans dat een “bedrieglijk” foton de output bereikt aanzienlijk kleiner is dan de waarschijnlijkheid dat een “goed” foton erdoorheen gaat.
- Netto-positieve schaling: Dit proces produceert fotonen van hoge kwaliteit voordat ze voor berekeningen worden gebruikt.
De belangrijkste bevinding is dat deze techniek zorgt voor “foutbeperking onder de drempel.” Dit betekent dat naarmate het systeem opschaalt en complexer wordt, het destillatieproces het foutenpercentage effectiever verlaagt dan dat de nieuwe componenten het verhogen.
Waarom dit belangrijk is voor de toekomst
Hoewel bedrijven als Google vergelijkbare mijlpalen onder de drempel hebben bereikt met supergeleidende processors, is dit de eerste keer dat een dergelijke prestatie is bereikt in een op licht gebaseerd systeem.
De implicaties zijn diepgaand: als onderzoekers qubits van hoge kwaliteit kunnen onderhouden zonder de enorme ‘overhead’ (de enorme hoeveelheid extra hardware die gewoonlijk nodig is om fouten te corrigeren), zullen de kosten en complexiteit van het bouwen van een universele kwantumcomputer aanzienlijk dalen. Dit verplaatst fotonisch computergebruik van een theoretische mogelijkheid naar een levensvatbare, schaalbare technologie die beter kan presteren dan de krachtigste supercomputers van vandaag.
Deze doorbraak laat zien dat we voorbij de ‘probabilistische’ aard van licht kunnen gaan en een voorspelbare, schaalbare architectuur voor de volgende generatie computers kunnen creëren.
Conclusie
Door fouten bij de bron uit te filteren door middel van fotondestillatie, hebben wetenschappers een routekaart opgesteld voor het opschalen van op licht gebaseerde kwantumcomputers. Deze ontwikkeling suggereert dat hoogwaardige kwantumcomputing op kamertemperatuur veel dichter bij de realiteit kan liggen dan eerder werd gedacht.
