Ett internationellt team av forskare under ledning av University of Bristol har visat att ljus kan användas för att implementera en multifunktionell kvantprocessor.

Denna lilla enhet kan användas som ett vetenskapligt verktyg för att utföra ett brett utbud av kvantinformationsexperiment, samtidigt som det visar vägen till hur fullt fungerande kvantdatorer kan konstrueras från storskaliga tillverkningsprocesser.

De gjorde detta genom att konstruera ett kiselchip som styr enskilda ljuspartiklar, kallas fotoner i optiska spår som kallas vågledare för att koda så kallade kvantbitar av information som kallas "qubits".

Internationella ansträngningar växer för att utveckla kvantdatorer som nästa steg i datorkraft, att öka antalet typer av uppgifter som datorer kan lösa åt oss.

I dagens stationära datorer, superdatorer och smartphones, bitar tar formen av att antingen vara en "1" eller en "0" och de är den grundläggande byggstenen på vilken alla datorer som för närvarande används i samhället är baserade.

Kvantdatorer är istället baserade på "qubits" som kan vara i en superposition av 0- och 1-tillstånden. Flera qubits kan också länkas på ett speciellt sätt som kallas kvantentanglement. Dessa två kvantfysikaliska egenskaper ger kraften till kvantdatorer.

En utmaning är att göra kvantdatorprocessorer som kan omprogrammeras för att utföra olika uppgifter, precis som vi har datorer idag som kan programmeras om för att köra olika applikationer.

En andra utmaning är hur man gör en kvantdator på ett sätt så att dess många delar kan tillverkas med mycket hög kvalitet och i slutändan till låg kostnad.

Bristol-teamet har använt fotoniska kiselchips som ett sätt att försöka bygga kvantberäkningskomponenter i stor skala och dagens resultat, publiceras i tidskriften Nature Photonics , visar att det är möjligt att helt kontrollera två qubits av information inom ett enda integrerat chip. Detta betyder vilken uppgift som helst som kan uppnås med två qubits, kan programmeras och realiseras med enheten.

Huvud författare, Dr Xiaogang Qiang, som åtog sig arbetet medan han studerade för en doktorsexamen. vid University of Bristol, och arbetar nu vid National University of Defense Technology i Kina, sa:"Vad vi har visat är en programmerbar maskin som kan utföra många olika uppgifter.

"Det är en väldigt primitiv processor, eftersom det bara fungerar på två qubits, vilket betyder att det fortfarande är långt kvar innan vi kan göra användbara beräkningar med denna teknik.

"Men det som är spännande är att de olika egenskaperna hos kiselfotonik som kan användas för att göra en kvantdator har kombinerats i en enhet.

"Detta är helt enkelt för komplicerat för att fysiskt implementera med ljus med tidigare tillvägagångssätt."

Den integrerade fotoniksatsningen startade 2008 och var ett svar på den växande oron att enskilda speglar och optiska element är alldeles för stora och instabila för att förverkliga de stora komplexa kretsar som en kvantdator kommer att byggas.

Dr Jonathan Matthews, en medlem av forskargruppen baserad på Quantum Engineering Technology (QET) Labs vid University of Bristol, tillade:"Vi måste titta på hur man gör kvantdatorer av teknologi som är skalbar, som inkluderar teknik som vi vet kan byggas otroligt exakt i en enorm skala.

"Vi tror att kisel är ett lovande material för att göra detta, delvis på grund av alla investeringar som redan har lagts ner på att utveckla kisel för mikroelektronik- och fotonikindustrin. Och de typer av enheter som utvecklats i Bristol, som den som presenterades idag, visar hur väl kvantenheter kan konstrueras.

"En konsekvens av den växande sofistikeringen och funktionaliteten hos dessa enheter är att de håller på att bli ett forskningsverktyg i sin egen rätt - vi har använt den här enheten för att implementera flera olika kvantinformationsexperiment med nästan 100, 000 olika omprogrammerade inställningar."

Studien publiceras i Nature Photonics .