Arméforskare förutspår att kvantdatorkretsar som inte längre behöver extremt kalla temperaturer för att fungera kan bli verklighet efter ungefär ett decennium.

I åratal, solid-state kvantteknik som fungerar vid rumstemperatur verkade avlägsen. Medan tillämpningen av transparenta kristaller med optiska olinjäriteter hade framstått som den mest troliga vägen till denna milstolpe, rimligheten av ett sådant system förblev alltid ifrågasatt.

Nu, Arméforskare har officiellt bekräftat giltigheten av detta tillvägagångssätt. Dr Kurt Jacobs, av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory, arbetar tillsammans med Dr. Mikkel Heuck och Prof. Dirk Englund, vid Massachusetts Institute of Technology, blev den första att demonstrera genomförbarheten av en kvantlogisk gate bestående av fotoniska kretsar och optiska kristaller.

"Om framtida enheter som använder kvantteknik kommer att kräva kylning till mycket kalla temperaturer, då blir de dyra, stor och tung, och makthungrig, " Sa Heuck. "Vår forskning syftar till att utveckla framtida fotoniska kretsar som kommer att kunna manipulera den intrassling som krävs för kvantenheter vid rumstemperatur."

Kvantteknologi erbjuder en rad framtida framsteg inom datoranvändning, kommunikation och fjärranalys.

För att utföra någon form av uppgift, traditionella klassiska datorer arbetar med information som är helt bestämd. Informationen lagras i många bitar, var och en kan vara på eller av. En klassisk dator, när den ges en ingång specificerad av ett antal bitar, kan bearbeta denna input för att producera ett svar, som också anges som ett antal bitar. En klassisk dator bearbetar en ingång i taget.

I kontrast, kvantdatorer lagrar information i qubits som kan vara i ett konstigt tillstånd där de är både på och av samtidigt. Detta gör att en kvantdator kan utforska svaren på många indata samtidigt. Även om det inte kan mata ut alla svar på en gång, det kan skapa samband mellan dessa svar, vilket gör att den kan lösa vissa problem mycket snabbare än en klassisk dator.

Tyvärr, en av de största nackdelarna med kvantsystem är bräckligheten i qubitarnas konstiga tillstånd. Den mesta möjliga hårdvaran för kvantteknik måste hållas vid extremt kalla temperaturer - nära noll kelvin - för att förhindra att specialtillstånden förstörs genom att interagera med datorns miljö.

"All interaktion som en qubit har med något annat i sin omgivning kommer att börja förvränga dess kvanttillstånd, " sa Jacobs. "T.ex. om miljön är en gas av partiklar, att sedan hålla det väldigt kallt gör att gasmolekylerna rör sig långsamt, så att de inte kraschar in i kvantkretsarna lika mycket."

Forskare har riktat olika ansträngningar för att lösa detta problem, men en definitiv lösning har ännu inte hittats. Just nu, fotoniska kretsar som innehåller olinjära optiska kristaller har för närvarande dykt upp som den enda möjliga vägen till kvantberäkning med solid-state-system vid rumstemperatur.

"Fotoniska kretsar är lite som elektriska kretsar, förutom att de manipulerar ljus istället för elektriska signaler, " sa Englund. "T.ex. vi kan göra kanaler i ett genomskinligt material som fotoner kommer att färdas ner, lite som elektriska signaler som färdas längs ledningar."

Till skillnad från kvantsystem som använder joner eller atomer för att lagra information, kvantsystem som använder fotoner kan kringgå den kalla temperaturbegränsningen. Dock, fotonerna måste fortfarande interagera med andra fotoner för att utföra logiska operationer. Det är här de olinjära optiska kristallerna kommer in i bilden.

Forskare kan konstruera håligheter i kristallerna som tillfälligt fångar fotoner inuti. Genom denna metod, kvantsystemet kan etablera två olika möjliga tillstånd som en qubit kan hålla:en kavitet med en foton (på) och en kavitet utan en foton (av). Dessa qubits kan sedan bilda kvantlogiska grindar, som skapar ramarna för de märkliga tillstånden.

Med andra ord, forskare kan använda det obestämda tillståndet av huruvida en foton är i en kristallhålighet eller inte för att representera en qubit. De logiska grindarna verkar på två qubits tillsammans, och kan skapa "kvantförveckling" mellan dem. Denna intrassling genereras automatiskt i en kvantdator, och krävs för kvantmetoder för tillämpningar inom avkänning.

Dock, forskare baserade idén att göra kvantlogiska grindar med olinjära optiska kristaller helt och hållet på spekulation - fram till denna punkt. Även om det visade enorma löften, tvivel kvarstod om huruvida denna metod ens kunde leda till praktiska logiska grindar.

Tillämpningen av olinjära optiska kristaller hade förblivit i fråga tills forskare vid arméns labb och MIT presenterade ett sätt att realisera en kvantlogisk grind med detta tillvägagångssätt med hjälp av etablerade fotoniska kretskomponenter.

"Problemet var att om man har en foton som färdas i en kanal, fotonen har ett "vågpaket" med en viss form, " sa Jacobs. "För en kvantport, du behöver fotonvågspaketen förbli desamma efter driften av grinden. Eftersom olinjäriteter förvränger vågpaket, frågan var om man kunde ladda vågpaketet i håligheter, få dem att interagera via en olinjäritet, och sänder sedan ut fotonerna igen så att de har samma vågpaket som de började med."

När de väl designade kvantlogikporten, forskarna utförde många datorsimuleringar av driften av grinden för att visa att den kunde, i teorin, fungera korrekt. Faktisk konstruktion av en kvantlogisk grind med denna metod kommer först att kräva betydande förbättringar av kvaliteten på vissa fotoniska komponenter, sa forskare.

"Baserat på de framsteg som gjorts under det senaste decenniet, vi räknar med att det kommer att ta cirka tio år för de nödvändiga förbättringarna att realiseras, " sa Heuck. "Men, processen att ladda och sända ut ett vågpaket utan distorsion är något som vi borde kunna realisera med nuvarande experimentell teknologi, och så det är ett experiment som vi kommer att arbeta med härnäst."

Fysiska granskningsbrev publicerade teamets resultat i en referentgranskad artikel den 20 april.