I dagens digitala infrastruktur, de databitar vi använder för att skicka och bearbeta information kan antingen vara 0 eller 1. Att kunna korrigera eventuella fel som kan uppstå i beräkningar med dessa bitar är en viktig del av informationsbehandlings- och kommunikationssystem. Men en kvantdator använder kvantbitar, som kan vara en slags blandning av 0 och 1, känd som kvant superposition. Denna blandning är avgörande för deras kraft - men den gör felkorrigeringen mycket mer komplicerad.

Forskare från DTU Fotonik har skapat den största och mest komplexa fotoniska kvantinformationsprocessorn hittills – på ett mikrochip. Den använder enstaka ljuspartiklar som sina kvantbitar, och demonstrerar en mängd olika felkorrigeringsprotokoll med fotoniska kvantbitar för första gången.

"Vi gjorde ett nytt optiskt mikrochip som bearbetar kvantinformation på ett sådant sätt att det kan skydda sig mot fel med hjälp av intrassling. Vi använde en ny design för att implementera felkorrigeringsscheman, och verifierat att de fungerar effektivt på vår fotoniska plattform, "säger Jeremy Adcock, postdoc vid DTU Fotonik och medförfattare till Naturfysik papper.

Denna forskning är viktig eftersom felkorrigering är nyckeln till att utveckla storskaliga kvantdatorer, som ska låsa upp nya algoritmer för t.ex. storskaliga kemiska simuleringar och snabbare maskininlärning.

En nyckelapplikation kan vara läkemedelsupptäckt. Dagens datorer kan inte simulera stora molekyler och deras interaktioner, till exempel när du introducerar en läkemedelsmolekyl i människokroppen. I dagens datorer, storleken på klassisk beräkning växer exponentiellt med storleken på de inblandade molekylerna. Men för framtida kvantdatorer, mer effektiva algoritmer är kända, som inte sprängs i beräkningskostnad.

Detta är bara ett av problemen som framtidens kvantteknologi lovar att lösa, genom att kunna bearbeta information bortom de grundläggande gränserna för traditionella datorer. Men för att nå detta mål, vi måste gå små:

"Chip-skala enheter är ett viktigt steg framåt om kvantteknologin ska skalas upp för att visa en fördel gentemot klassiska datorer. Dessa system kommer att kräva miljontals högpresterande komponenter som arbetar med de snabbaste möjliga hastigheterna, något som bara uppnås med mikrochips och integrerade kretsar, som möjliggörs av den ultraavancerade halvledartillverkningsindustrin, säger medförfattaren Yunhong Ding, senior forskare vid DTU Fotonik.

För att förverkliga kvantteknik som går utöver dagens kraftfulla datorer krävs att denna teknik skalas ytterligare. Särskilt, fotonkällorna (ljuspartiklar) på detta chip är inte tillräckligt effektiva för att bygga kvantteknologi av användbar skala.

"På DTU, vi arbetar nu med att öka effektiviteten hos dessa källor-som för närvarande har en effektivitet på bara 1 procent-till nästan enhet. Med en sådan källa, det borde vara möjligt att bygga kvantfotoniska enheter av kraftigt ökad skala, och skörda frukterna av kvantteknologins naturliga fysiska fördel jämfört med klassiska datorer vid bearbetning, kommunicera, och skaffa information, säger postdoc vid DTU Fotonik, Jeremy Adcock.

"Med mer effektiva fotonkällor, vi kommer att kunna bygga fler och olika resurstillstånd, som kommer att möjliggöra större och mer komplexa beräkningar, såväl som säker kvantkommunikation med obegränsat räckvidd."