Forskare har skapat en omprogrammerbar ljusbaserad processor, en världsnyhet, som de säger skulle kunna inleda en ny era av kvantberäkning och kommunikation.
Teknologi inom dessa framväxande områden som verkar på atomnivå inser redan stora fördelar för läkemedelsupptäckt och andra småskaliga tillämpningar.
I framtiden lovar storskaliga kvantdatorer att kunna lösa komplexa problem som skulle vara omöjliga för dagens datorer.
Ledande forskare professor Alberto Peruzzo från RMIT University i Australien sa att lagets processor – en fotonikenhet som använder ljuspartiklar för att bära information – kan hjälpa till att möjliggöra framgångsrika kvantberäkningar genom att minimera "ljusförluster."
"Vår design gör den kvantfotoniska kvantdatorn mer effektiv när det gäller ljusförluster, vilket är avgörande för att kunna hålla beräkningen igång", säger Peruzzo, som leder ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) nod på RMIT.
"Om du tappar ljus måste du starta om beräkningen."
Andra potentiella framsteg inkluderar förbättrade dataöverföringsmöjligheter för "unhackable" kommunikationssystem och förbättrade avkänningstillämpningar inom miljöövervakning och hälsovård, sa Peruzzo.
Teamet omprogrammerade en fotonikprocessor i en rad experiment, och uppnådde en prestanda motsvarande 2 500 enheter, genom att applicera varierande spänningar. Deras resultat och analys publiceras i Nature Communications .
"Denna innovation kan leda till en mer kompakt och skalbar plattform för kvantfotoniska processorer," sa Peruzzo.
Yang Yang, huvudförfattare och RMIT Ph.D. forskare sa att enheten var "fullständigt kontrollerbar", möjliggjorde snabb omprogrammering med minskad strömförbrukning och ersatte behovet av att tillverka många skräddarsydda enheter.
"Vi demonstrerade experimentellt olika fysiska dynamik på en enda enhet," sa han.
"Det är som att ha en switch för att kontrollera hur partiklar beter sig, vilket är användbart både för att förstå kvantvärlden och skapa nya kvantteknologier."
Professor Mirko Lobino från University of Trento i Italien tillverkade den innovativa fotoniska enheten med hjälp av en kristall som heter litiumniobat, och professor Yogesh Joglekar från Indiana University Purdue University Indianapolis i USA kom med sin expertis inom kondenserad materiens fysik.
Litiumniobat har unika optiska och elektrooptiska egenskaper, vilket gör det idealiskt för olika applikationer inom optik och fotonik.
"Min grupp var involverad i tillverkningen av enheten, vilket var särskilt utmanande eftersom vi var tvungna att miniatyrisera ett stort antal elektroder ovanpå vågledarna för att uppnå denna nivå av omkonfigurerbarhet," sa Lobino.
"Programmerbara fotoniska processorer erbjuder en ny väg att utforska en rad fenomen i dessa enheter som potentiellt kommer att låsa upp otroliga framsteg inom teknik och vetenskap," sa Joglekar.
Samtidigt har Peruzzos team också utvecklat ett världens första hybridsystem som kombinerar maskininlärning med modellering för att programmera fotoniska processorer och hjälpa till att kontrollera kvantenheter.
Peruzzo sa att kontrollen av en kvantdator var avgörande för att säkerställa databehandlingens noggrannhet och effektivitet.
"En av de största utmaningarna för enhetens utgångsnoggrannhet är brus, som beskriver störningen i kvantmiljön som påverkar hur qubits presterar", sa han.
Qubits är de grundläggande enheterna för kvantberäkning.
"Det finns en hel rad industrier som utvecklar kvantberäkningar i full skala, men de kämpar fortfarande mot fel och ineffektivitet som orsakas av buller," sa Peruzzo.
Försök att kontrollera qubits förlitade sig vanligtvis på antaganden om vad brus var och vad som orsakade det, sa Peruzzo.
"Istället för att göra antaganden utvecklade vi ett protokoll som använder maskininlärning för att studera bruset samtidigt som vi använder modellering för att förutsäga vad systemet gör som svar på bruset", sa han.
Med användningen av kvantfotoniska processorer sa Peruzzo att denna hybridmetod skulle kunna hjälpa kvantdatorer att prestera mer exakt och effektivt, vilket påverkar hur vi styr kvantenheter i framtiden.
"Vi tror att vår nya hybridmetod har potential att bli den vanliga kontrollmetoden inom kvantberäkning," sa Peruzzo.
Huvudförfattaren Dr. Akram Youssry, från RMIT, sa att resultaten av det nyutvecklade tillvägagångssättet visade betydande förbättringar jämfört med de traditionella metoderna för modellering och kontroll, och att de kan tillämpas på andra kvantenheter utöver fotoniska processorer.
"Metoden hjälpte oss att avslöja och förstå aspekter av våra enheter som ligger bortom de kända fysiska modellerna av denna teknik," sa han.
"Detta kommer att hjälpa oss att designa ännu bättre enheter i framtiden."
"Experimentell identifiering och kontroll av kvantsystem i gråboxen," publiceras i npj Quantum Information .
Peruzzo sa att nystartade företag inom kvantberäkning kunde skapas kring hans teams fotoniska enhetsdesign och kvantkontrollmetod, som de skulle fortsätta att studera när det gäller tillämpningar och deras "fulla potential."
"Kvantfotonik är en av de mest lovande kvantindustrierna eftersom fotonikindustrin och tillverkningsinfrastrukturen är mycket väletablerad", sa han.
"Algorithmer för kvantmaskininlärning har potentiella fördelar jämfört med andra metoder i vissa uppgifter, särskilt när man hanterar stora datamängder."
"Föreställ dig en värld där datorer arbetar miljontals gånger snabbare än de gör idag, där vi kan skicka information på ett säkert sätt utan rädsla för att den ska fångas upp och där vi kan lösa problem på några sekunder som för närvarande skulle ta år."
"Det här är inte bara fantasi – det är den potentiella framtiden som drivs av kvantteknik och forskning som vår banar vägen."
Mer information: Akram Youssry et al, Experimentell greybox kvantsystemidentifiering och kontroll, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-023-00795-5
Yang Yang et al, Programmerbar högdimensionell Hamiltonian i en fotonisk vågledaruppsättning, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44185-z
Journalinformation: Nature Communications , npj Quantum Information
Tillhandahålls av RMIT University
