I ett nytt banbrytande arbete, forskare från DTU har nu realiserat den kompletta plattformen för en optisk kvantdator. Plattformen är universell och skalbar, allt sker i rumstemperatur, och tekniken är direkt kompatibel med vanliga fiberoptiska nätverk. Detta placerar DTU i framkant av utvecklingen.

Optiska kvantdatorer har länge varit i skuggan av supraledande teknologier som har accelererats av enorma utvecklingsprogram som drivs av teknikjättar som IBM och Google. Situationen förändras nu, en anledning är en rad banbrytande projekt utförda av forskare vid grundforskningscentret bigQ vid DTU Fysik.

Faktiskt, forskarna vid DTU begränsar sig inte till att bara utveckla enskilda komponenter för en optisk kvantdator eller bara en kvantsimulator. De arbetar målmedvetet med att utveckla en universell mätningsbaserad optisk kvantdator.

Kan köra vilken godtycklig algoritm som helst

Även om den typ av kvantdator som DTU-forskarna utvecklar skiljer sig begreppsmässigt mycket från en vanlig dator, det finns också likheter.

Det finns några grundläggande logiska enheter (qubits) som bär informationen, och det finns grindar som utför operationer på en eller flera qubits, implementerar alltså en algoritm.

Demonstrationen av en så kallad universell grinduppsättning – och implementeringen av ett antal operationer med hjälp av den – är precis vad som utgör det nya framstegen inom optisk kvantberäkning.

"Vår demonstration av en universell uppsättning grindar är helt avgörande. Det betyder att vilken godtycklig algoritm som helst kan realiseras på vår plattform med rätt ingångar, nämligen optiska qubits. Datorn är fullt programmerbar, säger Mikkel Vilsbøll Larsen, som har varit den främsta drivkraften bakom arbetet och som nyligen avlagt sin doktorsexamen. studier vid DTU.

Skalning gör kvantdator praktiskt taget relevant

Potentialen för kvantdatorn är enorm, och dess dramatiskt ökade processorkraft i förhållande till standardtransistorbaserade datorer kommer att möjliggöra disruptiv innovation inom en lång rad områden av stor betydelse för Danmark, som läkemedelsindustrin, optimering av transportsektorn, och utveckling av material för avskiljning och lagring av koldioxid.

En avgörande faktor för att uppfylla denna potential är att kvantdatorn realiseras på en plattform som är skalbar till tusentals qubits, förklarar seniorforskaren Jonas S. Neergaard-Nielsen, som är en av grundpelarna i arbetet.

"Teoretiskt sett, det är ingen skillnad mellan om en kvantdator är baserad på supraledande eller optiska kvantbitar. Men det finns en avgörande praktisk skillnad. Supraledande kvantdatorer är begränsade till antalet kvantbitar som tillverkas på det specifika processorchipset. I vårt system, vi skapar ständigt nya och trasslar in dem kvantmekaniskt med dem vi utför beräkningar på. Det betyder att vår plattform är lätt skalbar."

"Dessutom, vi behöver inte kyla ner allt i stora kryostater. Istället, vi kan göra allt i rumstemperatur i optiska fibrer. Att systemet är baserat på optiska fibrer gör också att det kan kopplas direkt till ett framtida kvantinternet, utan svåra mellanhänder."

Forskarna passerade skalningsmilstolpen redan 2019 när - i en artikel i Vetenskap – de redogjorde för hur, som några av de första i världen, de hade tagit fram grundstrukturen för en mätbaserad optisk kvantdator – ett så kallat tvådimensionellt klustertillstånd med över 30, 000 intrasslade ljustillstånd.

Ser redan bestämt framåt

Även om de kan frestas att vila på lagrarna ett tag, forskargruppen har redan nya mål i sikte.

Tidigare i år, de utvecklade och patenterade ett fullständigt teoretiskt ramverk för hur deras teknologi även kan omfatta felkorrigering på lång sikt. Detta är en av de stora nuvarande utmaningarna för kvantberäkningsteknik.

"Det är ett viktigt forskningsresultat vi just har publicerat, och vi är stolta över det. Men våra ambitioner går mycket längre än så. Det långsiktiga målet är en kvantdator som kan lösa relevanta problem och uppfylla den potential vi alla strävar mot, " säger professor Ulrik L. Andersen, som är chef för bigQ och har handlett hela forskningsprogrammet.

"Vi vet vad som krävs för att placera vår nuvarande teknologi på ett optiskt chip och introducera felkorrigering, och vi har relevanta internationella samarbeten på plats. Detsamma gäller för företagssektorn, där företag är ivriga att utveckla användningsfall med oss."

Med andra ord, forskarna vid DTU är redo för nästa utmaningar och att ta nästa steg från grundforskning till innovation. Faktiskt, finansiering är det enda som saknas.

Forskningen publicerades i tidskriften Naturfysik .