Zie Nieuws

Vijftig perfecte fotonen voor 'quantum supremacy'

Voor quantumcomputers die problemen te lijf kunnen die de klassieke supercomputer niet meer aankan – ‘quantum supremacy’ – is vijftig een kritiek getal. Experimenten die  quantumsuprematie aantonen, moeten met minstens 50 ‘qubits’ werken. Voor quantumcomputers die met licht werken, is dit niet anders: in dat geval heb je 50 fotonen nodig. Maar dat moeten dan wel ‘perfecte’ fotonen zijn, anders doen ze de kracht van quantum juist teniet. Die perfectie maakt het wel lastig. En toch is het mogelijk, aldus onderzoekers van de Universiteit Twente, door te sleutelen aan de structuur van het optische kristal in een veelgebruikte lichtbron. Zij publiceren erover in Physical Review A.   

Fotonen zijn kansrijke basiselementen in de quantumwereld van verstrengelingsuperpositie en interferentie: eigenschappen die ‘qubits’ ook hebben. Deze eigenschappen maken een computer mogelijk die totaal anders rekent dan met louter enen en nullen. En waarvan al geruime tijd verwacht wordt dat die heel complexe problemen snel kan oplossen – zoals het in één klap volledig doorrekenen van de trillingen van een complex molecuul. De eerste bewijzen van ‘quantum supremacy’ zijn er al, vooral op complexe theoretische problemen, en uitgevoerd met supergeleidende qubits. Vijftig zijn daarvan nodig om het verschil te maken. Dat geldt ook als je fotonen in plaats van qubits zou gebruiken. Fotonen zijn om verschillende redenen aantrekkelijk: ze kunnen werken bij kamertemperatuur, fotonen zijn stabieler dan qubits. Maar de fotonen moeten wel perfect zijn, anders wordt het aantal van 50 niet gehaald. De UT-onderzoekers laten nu in hun publicatie zien dat dit kan. 

Deel foton weggegooid

Wat is dan een perfect foton? Het kan zijn dat de quantumlichtbron al te grote verliezen heeft, dan komt een ‘beloofd’ foton toch niet altijd aan. Een foton dat onderweg is in een stelsel van lichtgeleidende kanaaltjes kun je ook kwijtraken en daarmee ook de resultaten van de quantumberekeningen. Maar de beschikbare lichtbronnen produceren vooral fotonen die nét niet helemaal identiek zijn. Het een is rood, het ander iets meer oranje, bijvoorbeeld: ze hebben veel gemeenschappelijk, toch is het verschil te groot. Een filter gebruiken om ze allebei rood te maken, lijkt dan het meest logisch. Toch gaat dan een deel van elk foton verloren. Vaak zijn quantumberekeningen dan niet meer mogelijk, de imperfecties blijven aan elkaar gekoppeld. Of, ondanks de tekortkomingen functioneert het wel, maar blijft het maximaal haalbare aantal ver onder de 50: wég is de supremacy.

Kristalstructuur

De onderzoekers hebben nu bekeken of je het probleem bij de bron kunt aanpakken, door de kristalstructuur van de quantumlichtbron te verbeteren. Door te ‘spelen’ met de voorkeursrichtingen in het kristal, en die op te delen in domeinen, is het mogelijk om het licht precies de gewenste eigenschappen mee te geven. Het wordt dan beter mogelijk om het minimum van 50 te bereiken. Met vaste domeinen in het kristal wordt al decennia gewerkt, het is de kunst om de domeinen juist te variëren om het licht ‘op maat te maken’. Zo ver is het nog niet, al wordt op verschillende plekken in de wereld gewerkt aan deze manier van manipuleren van licht. De nieuwe publicatie helpt in elk geval bij het verbeteren van deze technologie en bij het perfectioneren van de fotonen.

Centre for Quantum Nanotechnology Twente

Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Complex Photonic Systems, onderdeel van het MESA+ Instituut van de UT en het Centre for Quantum Nanotechnology Twente (QUANT). De onderzoekers hebben ook samengewerkt met collega’s van de Integrated Quantum Optics groep aan de Universiteit van Paderborn.

Het paper ‘Optimizing spontaneous parametric down-conversion sources for boson-sampling’, door Reinier van der Meer, Jelmer Renema, Benjamin Brecht, Christine Silberhorn en Pepijn Pinkse, is verschenen in de nieuwste editie van Physical Review A, een van de journals van de American Physical Society

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)