Een Twentse uitvinding maakt de kwaliteit van lichtdeeltjes (fotonen) dusdanig beter, dat de bouw van kwantumcomputers gebaseerd op licht goedkoper en praktischer wordt. De onderzoekers publiceerden hun onderzoek in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Applied. “Deze technologie is een essentieel onderdeel van elke toekomstige fotonische kwantumcomputer.”
Kwantumcomputers zitten op een kantelpunt: techreuzen en overheden investeren miljarden, maar er zijn twee fundamentele obstakels: de hoeveelheid qubits én de kwaliteit van deze qubits. Twentse onderzoekers hebben een onderdeel voor een fotonische kwantumcomputer uitgevonden dat kwantiteit voor kwaliteit uitruilt, en hebben laten zien dat die uitruil meer rekenkracht oplevert. “Onze ontdekking brengt een toekomst met krachtige kwantumcomputers een stuk dichterbij. Dat betekent betere medicijnen, nieuwe materialen en veiligere communicatie. Maar ook toepassingen die we nu nog niet kunnen bedenken”, vertelt hoofdonderzoeker Jelmer Renema.
Perfecte fotonen voor foutloze kwantumcomputers
De Twentse onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om deze fouten al in een vroeg stadium te corrigeren en fotonen te verbeteren. “Voor een fotonische kwantumcomputer heb je fotonen van extreem hoge kwaliteit nodig. Onze techniek zorgt ervoor dat alleen de beste fotonen overblijven, wat cruciaal is voor betrouwbare berekeningen,” zegt Renema.
Doordat kwantumcomputers extreem gevoelig zijn voor verstoringen, zijn vaak honderden fysieke fotonen nodig om een enkele betrouwbare qubit te maken. De methode van de Twentse onderzoekers kan een deel van de benodigde foutencorrectie vervangen, waardoor veel minder fotonen nodig zijn. Dit maakt kwantumcomputers uiteindelijk goedkoper en toegankelijker.
Filteren zonder het probleem te kennen
Waar eerdere methodes gefocust waren op foutencorrectie achteraf, pakten de UT-onderzoekers het probleem bij de bron aan. Ze ontwierpen een nieuw component welke op een gunstige manier één foton van hoge kwaliteit kan distilleren uit een brouwsel van imperfecte fotonen. Hiervoor bedachten ze een optische schakeling, bestaande uit programmeerbare lichtgeleiders en detectoren. Door de kwantumeigenschappen van licht te benutten, creëerden ze hiermee een ‘Schrödingers kat’-achtige toestand waarin fotonen eerder de ‘goede’ dan de ‘slechte’ eigenschappen aannamen. Net zoals in Schrödingers beroemde gedachtenexperiment bepaalt de meting uiteindelijk of een foton de gewenste eigenschappen heeft overgehouden.
In plaats van imperfecte fotonen te accepteren en later te corrigeren, filtert de nieuwe methode daarmee direct perfecte fotonen. Hoewel voor het filteren van elk perfect foton meerdere imperfecte fotonen opgeofferd moeten worden, wordt hiermee het totaal aantal benodigde fotonen teruggeschroefd. Dat scheelt enorm veel rekenkracht en maakt kwantumcomputers goedkoper en efficiënter. Door een optisch circuit met programmeerbare schakelaars te gebruiken, kunnen de onderzoekers slechte fotonen eruit filteren zonder dat ze precies hoeven te weten wat de fout veroorzaakt. “Normaal moet je van tevoren bepalen wat je filtert, zoals een kleurenfilter dat alleen rood licht doorlaat. Wij kunnen nu filteren zonder vooraf te weten wat het probleem is”, vertelt promovendus Frank Somhorst.
In elke toekomstige kwantumcomputer
Als fotonische kwantumcomputers ooit grootschalig worden ingezet, zal volgens de onderzoekers deze Twentse uitvinding daar een fundamenteel onderdeel van zijn. Net zoals bij klassieke computers geldt ook voor kwantumcomputers: slechte input leidt tot slechte output. Door de ruis aan de voorkant van het systeem flink aan te pakken, hoeft er achteraf minder gecorrigeerd te worden. “Elke praktische fotonische kwantumcomputer zal deze techniek nodig hebben om foutloze berekeningen uit te voeren,” zegt Renema.
Twente heeft een sterke positie in fotonica en kwantumtechnologie. Verschillende UT-onderzoekers doen al jaren onderzoek naar het sturen van fotonen met interferentie, en dat geeft ons een unieke voorsprong. “Door die voorsprong kunnen we ons nu concentreren op grootschalige universele kwantumcomputing en is volgens mij precies de reden waarom dit aan de UT ontdekt moest worden”, sluit Renema af.
Meer informatie
Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door het Vidiproject ‘At the Quantum Edge’ en het Nationaal Groeifonds programma PhotonDelta. De Universiteit Twente heeft een patent aangevraagd op de technologie. Eerste auteur Frank Somhorst is PhD student in de onderzoeksgroep Adaptive Quantum Optics (AQO; Faculteit TNW/MESA+).
Somhorst publiceerde dit onderzoek samen met Kite Sauër, Stefan van den Hoven en Dr. Jelmer Renema (allemaal AQO) in het wetenschappelijk tijdschrift Physical Review Applied. Hun publicatie, getiteld ‘Photon distillation schemes with reduced resource costs based on multiphoton Fourier interference’ werd ook uitgekozen door het tijdschrift als ‘Editors’ suggestion’. Vergelijkbaar onderzoek werd tegelijkertijd gepubliceerd door het NASA Ames laboratorium
