Zie Nieuws

UT'er Jelmer Renema in team dat 'quantum primacy' aantoont Quantum computing met licht

UT-onderzoeker Jelmer Renema maakt deel uit van een team van Chinese onderzoekers dat een nieuwe quantumcomputer heeft ontwikkeld gebaseerd op fotonica. Ze laten hiermee 'quantumvoordeel' zien - de computer kan problemen oplossen die een supercomputer te boven gaan. Vergeleken met zijn voorganger, heeft de nieuwste quantumcomputer minder verliezen en kan het systeem meer fotonen meten, leidend tot een snelheid die een biljoen in het kwadraat hoger ligt vergeleken met 'brute kracht' supercomputing. Renema droeg bij aan dit nieuwe resultaat met een betere theoretische onderbouwing. De resultaten van 'Jiuzhang 2.0' zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.

Fotonen, ‘lichtdeeltjes’, zijn in opkomst als basis voor quantumcomputers, naast de supergeleidende quantum bits (qubits). De quantumcomputer Sycamore waarmee Google quantumvoordeel aantoonde - een probleem kon doorrekenen dat een ‘gewone’ supercomputer niet meer aan kan -, had 53 supergeleidende qubits. De eerste versie van de Jiuzhang, gepubliceerd in Science, was eind 2020 staat om meer dan 70 fotonen te detecteren die de uitkomst van een complexe berekening gaven. In de ‘2.0’ versie die nu wordt gepresenteerd, gaat dit naar boven de 100. Een voordeel van fotonen is onder meer dat zij niet bij heel lage temperaturen werken, zoals qubits, en dat ze stabieler zijn. Al kunnen ook fotonen onderweg verloren gaan.

De nieuwe onderzoeksresultaten zijn ook besproken in het 'viewpoint' artikel 'Quantum Leap for Quantum Primacy' in 'Physics' van de American Physical Society.

Flipperen met 100 kogels

De berekening die is uitgevoerd heet Gaussian Boson Sampling (GBS). Aan de ene kant zijn er lichtbronnen die één foton tegelijk kunnen uitzenden, aan de uitgang staan 144 detectoren die elk één foton kunnen meten. Daartussen zit een complex stelsel van spiegels, lenzen en lichtgeleidende chips. Op die chip zitten bijvoorbeeld splitsingen (beam splitters), die maken dat een foton tegelijkertijd twee kanten op gaat. De lichtpaden komen ook weer samen met andere, zodat fotonen met elkaar samenkomen, interfereren. Uiteindelijk worden de fotonen die uit het systeem komen, stuk voor stuk gedetecteerd. Na veel herhalingen krijg je dan de verdeling te zien van de fotonen. Zou je voor het gemak elk foton representeren door een kogeltje, dan is het een flipperkast met honderd kogeltjes. Ze vallen uiteindelijk in een van de 144 bakjes

Biljoen maal biljoen keer sneller

Door de quantumeffecten die onderweg tussen de lichtbronnen en de lichtdetectoren optreden, zijn de paden van de fotonen nauwelijks door te rekenen met brute rekenkracht. Het paper vermeldt een ‘sampling rate’ die 1024 maal sneller is, dat is een biljoen in het kwadraat, dan de huidige snelste supercomputer. Het probleem dat de nieuwe quantumcomputer oplost, mag voor veel mensen het voorstellingsvermogen te boven gaan, volgens de onderzoekers komt het al in de buurt van problemen in de complexe chemie en kunstmatige intelligentie. 

Kansen fotonica beter benutten

Volgens Renema, onderzoeker in de groep Adaptive Quantum Optics (MESA+ Instituut/QUANT), geeft het nieuwe resultaat aan dat quantumvoordeel al eerder bereikt wordt dan de verschillende roadmaps, ook de Nederlandse, aangeven. Het geeft volgens hem ook aan dat niet alleen moet worden ingezet op supergeleidende qubits. Dit blijkt nu uit de krachtenbundeling van onderzoekers van de University of Science and Technology of China (USTC), het Shanghai Institute of Microsystems (SIMIT) en Tsinghua University.

‘Worth watching’

Vanuit zijn onderzoek heeft Jelmer Renema een paar jaar geleden het bedrijf QuiX Quantum opgezet, dat lichtgeleidende chips ontwikkelt die als quantumprocessor kunnen fungeren. Quantum Daily noemt hem in een overzicht van 51 Chief Technology Officers in de wereld om in de gaten te houden, en QuiX staat ook in de ‘Silicon 100: Startups worth watching in 2021’.

Het paper ‘Phase-programmable Gaussian Boson Samping using stimulated squeezed light’ door Han-Sen Zhon, Yu-Hoan Doeng, Jian Qin, Hui Wang, Min-Cheng Chen, Li-Chao Peng, Yi-Han Luo, Dian Wu, Si-QUiu Gong, Hao Su, Yi Hu, Peng Hu, Xiao-Yan Yang, Wei-Jun Zhang, Hao Li, Yuxuan Li, Xiao Jiang, Li Gan, Huangwen Yang, Lixing You, Zhen Wang, Li Li, Nai-Le- Liu, Jelmer Renema, Chao-Yang Lu en Jian-Wei Pan, staat nu in Physical Review Letters.

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)
+31 53 489 4244 | +31 6 12185692
 w.r.vanderveen@utwente.nl
Gebouw: Spiegel Tuin