Dagens kvantdatorer innehåller upp till flera dussin minnes- och processorenheter, de så kallade qubiterna. Severin Daiss, Stefan Langenfeld, och kollegor från Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching har framgångsrikt kopplat ihop två sådana qubits som finns i olika laboratorier till en distribuerad kvantdator genom att länka qubitsna till en 60 meter lång optisk fiber. På ett sådant avstånd insåg de en kvantlogisk grind-den grundläggande byggstenen i en kvantdator. Det gör systemet till världens första prototyp av en distribuerad kvantdator.

Begränsningarna av tidigare qubit -arkitekturer

Kvantdatorer skiljer sig betydligt från traditionella "binära" datorer:Framtida insikter om dem förväntas enkelt utföra specifika beräkningar för vilka traditionella datorer skulle ta månader eller till och med år - till exempel inom datakryptering och dekryptering. Medan prestanda för binära datorer beror på stora minnen och snabba datacykler, Kvantdatorns framgång vilar på det faktum att en enda minnesenhet - en kvantbit, även kallad "qubit" - kan innehålla superpositioner med olika möjliga värden samtidigt. Därför, en kvantdator beräknar inte bara ett resultat i taget, men i stället många möjliga resultat parallellt. Ju fler qubits det är sammankopplade i en kvantdator; desto mer komplexa beräkningar den kan utföra.

De grundläggande beräkningsoperationerna för en kvantdator är kvantlogiska grindar mellan två qubits. En sådan operation ändrar - beroende på qubits ursprungliga tillstånd - deras kvantmekaniska tillstånd. För att en kvantdator ska vara överlägsen en normal dator för olika beräkningar, det måste på ett tillförlitligt sätt koppla ihop många dussintals, eller till och med tusentals qubits för lika tusentals kvantoperationer. Trots stora framgångar, alla nuvarande laboratorier kämpar fortfarande med att bygga en så stor och pålitlig kvantdator, eftersom varje ytterligare qubit gör det mycket svårare att bygga en kvantdator i bara en enda uppsättning. Qubitsna är implementerade, till exempel, med enstaka atomer, supraledande element, eller lätta partiklar, som alla måste isoleras perfekt från varandra och miljön. Ju fler qubits är ordnade bredvid varandra, desto svårare är det att både isolera och kontrollera dem utifrån samtidigt.

Datalinje och bearbetningsenhet kombinerad

Ett sätt att övervinna de tekniska svårigheterna vid konstruktion av kvantdatorer presenteras i en ny studie i tidskriften Vetenskap av Severin Daiss, Stefan Langenfeld och kollegor från forskargruppen för Gerhard Rempe vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching. I detta arbete som stöds av Institute of Photonic Sciences (Castelldefels, Spanien), laget lyckades ansluta två qubit-moduler över ett 60-meters avstånd på ett sådant sätt att de effektivt bildar en grundläggande kvantdator med två qubits. "Över detta avstånd, vi utför en kvantberäkning mellan två oberoende qubit -inställningar i olika laboratorier, "Betonar Daiss. Detta gör det möjligt att slå samman mindre kvantdatorer till en gemensam processorenhet.

Att helt enkelt koppla avlägsna qubits för att generera intrassling mellan dem har uppnåtts tidigare, men nu, anslutningen kan dessutom användas för kvantberäkningar. För det här syftet, forskarna använde moduler bestående av en enda atom som en qubit som är placerad mitt bland två speglar. Mellan dessa moduler, de skickar en enda ljuskvanta, en foton, som transporteras i den optiska fibern. Denna foton trasslas sedan in i kvanttillstånden för qubiterna i de olika modulerna. Senare, tillståndet för en av qubiterna ändras enligt det uppmätta tillståndet för "ancillafoton, "förverkligande av en kvantmekanisk CNOT-operation med en trohet på 80 procent. Ett nästa steg skulle vara att ansluta mer än två moduler och att vara värd för fler qubits i de enskilda modulerna.

Kvantdatorer med högre prestanda genom distribuerad dator

Teamledare och institutdirektör Gerhard Rempe tror att resultatet kommer att göra det möjligt att ytterligare avancera tekniken:"Vårt system öppnar en ny utvecklingsväg för distribuerad kvantdatorer." Det kan möjliggöra, till exempel, att bygga en distribuerad kvantdator bestående av många moduler med få qubits som är sammankopplade med den nyligen introducerade metoden. Detta tillvägagångssätt kan kringgå begränsningen av befintliga kvantdatorer för att integrera fler qubits i en enda installation och kan därför tillåta mer kraftfulla system.