Nytt sätt att konstruera kretsar kan leda till storskaliga kvantdatorer

Genom att utnyttja kvantmekanik kan en kvantdator lösa beräkningsproblem utom räckhåll för dagens superdatorer. Men det finns problem. När kretsarna i kvantdatorerna blir större blir de svårare att kontrollera. Nu har forskare lyckats visa på ett nytt sätt att konstruera kvantkretsar för enskilda ljuspartiklar. Det kan möjliggöra större och mer komplicerade kretsar – vilket är kritiskt för att kunna lösa upp kvantdatorers enorma beräkningskraft.

Optiska kretsar är en teknik som involverar användningen av ljus för att överföra och bearbeta information. Dessa kretsar skiljer sig från traditionella elektroniska kretsar som använder elektriska signaler. Optiska kretsar kommer att bli avgörande för utvecklingen av framtida teknologier som ohackbara kommunikationsnätverk och ultrasnabba kvantdatorer. Men i takt med att kretsarna blir större och mer komplexa blir de både svårare att kontrollera och tillverka, något som påverkar deras prestanda. I en ny studie som publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics har ett internationellt forskarlag, där Lunds universitet ingår, tagit ett snillrikt, teknologiskt kliv mot en lösning på problemet.

– Vi har tagit fram ett mångsidigt alternativ att konstruera optiska kretsar med hjälp av en process som förekommer spontant i naturen. Genom att utnyttja det naturliga spridningsbeteendet hos ljus inuti en optisk fiber kunde vi programmera kretsar på mycket precisa sätt, säger Armin Tavakoli, fysikforskare vid Lunds universitet.

Teamet utförde sin forskning med kommersiella optiska fibrer som används över hela världen för att transportera internet till våra hem och företag. Dessa fibrer är tunnare än bredden av ett hårstrå och använder ljus för att överföra data. I studien lyckades forskarna koda extremt mycket information i en enda ljuspartikel, något som låser upp en massiv beräkningskraft.

– Idén är att utnyttja hur ljus sprids i optiska fibrer. För att undvika att kvanttillståndet hos ljuspartiklarna som kommer ut i andra änden av en optisk fiber påverkas på ett komplicerat vis lyckades vi manipulera dem, tämja oordningen, och använda sammanflätningen av två ljuspartiklar som en resurs, säger Armin Tavakoli.

Läkemedelsutveckling, klimatprognoser och rymdforskning är bara några områden där forskarvärlden räknar med att kvantdatorer kommer att spela en viktig roll de närmaste åren. Men också inom maskininlärning och artificiell intelligens – fält där optiska kretsar används för att bearbeta enorma mängder data mycket snabbt. Att kunna manipulera ljuspartiklar och behålla en mer precis kontroll när kretsarna blir större kommer att bli en viktig pusselbit för utvecklingen av framtidens fullskaliga kvantdatorer.

– Kvantteknologi är ju nästan av mainstreamintresse nuförtiden. Genom att kartlägga hur ljuspartiklar kan manipuleras går det att implementera den här tekniken och göra användbara och programmerbara kretsar för enskilda kvantpartiklar med många frihetsgrader. Det är ett nytt och spännande tillvägagångssätt i utvecklingen av optiska kvantdatorer, säger Armin Tavakoli.

Förutom Lunds universitet har Heriot-Watt University, Sapienza University of Rome och University of Twente deltagit i arbetet. Experimentet utfördes på Heriot-Watt University.

Studien publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics: ”Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium”

Fakta – Kvantdatorer

En kvantdator är en beräkningsenhet som använder kvantmekanik för att utföra flera beräkningar samtidigt, tillräckligt för att kunna lösa problem som dagens superdatorer inte klarar av. Fördelen med kvantdatorer jämfört med vanliga datorer ligger i de grundläggande byggstenarna. I traditionella datorer är den minsta informationsbäraren en bit som kan anta värdet 0 eller 1. Kvantdatorer är i stället uppbyggda av kvantbitar som kan ha både värdet 0 och 1 samtidigt tack vare en kvantegenskap som kallas superposition.

För mer information, kontakta:

Armin Tavakoli, forskare

Fysiska institutionen, Lunds universitet

046 222 90 91

072 152 73 32

armin.tavakoli@teorfys.lu.se

Presskontakt:

johan.joelsson@science.lu.se

073 027 58 90