Kapplöpet om att utveckla kvantdatorer har verkligen värmts upp under de senaste åren. Toppmoderna system kan nu köra enkla algoritmer med hjälp av dussintals kvantbitar – eller kvantbitar – som är byggstenarna i kvantdatorer.
Mycket av denna framgång har uppnåtts i så kallade gate-baserade kvantdatorer. Dessa datorer använder fysiska komponenter, framför allt supraledande kretsar, för att vara värd för och kontrollera qubits. Detta tillvägagångssätt är ganska likt konventionella, enhetsbaserade klassiska datorer. De två datorarkitekturerna är således relativt kompatibla och skulle kunna användas tillsammans. Dessutom skulle framtida kvantdatorer kunna tillverkas genom att utnyttja den teknik som används för att tillverka konventionella datorer.
Men forskarteamet för optisk kvantberäkning vid RIKEN Center for Quantum Computing har tagit ett helt annat tillvägagångssätt. Istället för att optimera grindbaserade kvantdatorer har Atsushi Sakaguchi, Jun-ichi Yoshikawa och teamledaren Akira Furusawa utvecklat mätbaserad kvantberäkning.
Mätbaserade kvantdatorer bearbetar information i ett komplext kvanttillstånd, känt som ett klustertillstånd, som består av tre (eller fler) kvantbitar som är sammanlänkade av ett icke-klassiskt fenomen som kallas entanglement. Entanglement är när egenskaperna hos två eller flera kvantpartiklar förblir sammanlänkade, även när de är åtskilda av stora avstånd.
Mätbaserade kvantdatorer fungerar genom att göra en mätning på den första qubiten i klustertillståndet. Resultatet av denna mätning avgör vilken mätning som ska utföras på den andra intrasslade qubiten, en process som kallas feedforward. Detta avgör sedan hur man mäter den tredje. På detta sätt kan vilken kvantgrind eller krets som helst implementeras genom lämpligt val av mätserien.
Mätbaserade scheman är mycket effektiva när de används på optiska kvantdatorer, eftersom det är lätt att trassla in ett stort antal kvanttillstånd i ett optiskt system. Detta gör en mätbaserad kvantdator potentiellt mer skalbar än en grindbaserad kvantdator. För de senare måste qubits vara exakt tillverkade och inställda för enhetlighet och fysiskt kopplade till varandra. Dessa problem löses automatiskt genom att använda en mätbaserad optisk kvantdator.
Viktigt är att mätbaserad kvantberäkning erbjuder programmerbarhet i optiska system. "Vi kan ändra operationen genom att bara ändra mätningen", säger Sakaguchi. "Detta är mycket enklare än att byta hårdvara, som gated-baserade system kräver i optiska system."
Men feedforward är viktigt. "Feedforward är en kontrollmetodik där vi matar mätresultaten till en annan del av systemet som en form av kontroll", förklarar Sakaguchi. "I mätningsbaserad kvantberäkning används feedforward för att kompensera för den inneboende slumpen i kvantmätningar. Utan feedforward-operationer blir mätbaserad kvantberäkning sannolikhet, medan praktisk kvantberäkning måste vara deterministisk."
Optical Quantum Computing Research Team och deras medarbetare – från University of Tokyo, Palacký University i Tjeckien, Australian National University och University of New South Wales, Australien – har nu visat en mer avancerad form av feedforward:olinjär feedforward. Icke-linjär feedforward krävs för att implementera hela utbudet av potentiella grindar i optikbaserade kvantdatorer. Resultaten publiceras i tidskriften Nature Communications .
"Vi har nu experimentellt demonstrerat olinjär kvadraturmätning med en ny olinjär feedforward-teknik", förklarar Sakaguchi. "Denna typ av mätning hade tidigare varit ett hinder för att förverkliga universella kvantoperationer i optisk mätning-baserad kvantberäkning."
Optiska datorer
Optiska kvantdatorer använder qubits gjorda av vågpaket av ljus. Vid andra institutioner hade några av det nuvarande RIKEN-teamet tidigare konstruerat de stora optiska klustertillstånden som behövs för mätningsbaserad kvantberäkning. Linjär feedforward har också uppnåtts för att konstruera enkla grindoperationer, men mer avancerade grindar behöver olinjär feedforward.
En teori för praktisk implementering av icke-linjär kvadraturmätning föreslogs 2016. Men detta tillvägagångssätt gav två stora praktiska svårigheter:att generera ett speciellt hjälptillstånd (vilket laget uppnådde 2021) och att utföra en ickelinjär feedforward-operation.
Teamet övervann den senare utmaningen med komplex optik, speciella elektrooptiska material och ultrasnabb elektronik. För att göra detta utnyttjade de digitala minnen, där de önskade olinjära funktionerna förberäknades och registrerades i minnet. "Efter mätningen omvandlade vi den optiska signalen till en elektrisk," förklarar Sakaguchi. "I linjär feedforward förstärker eller dämpar vi bara den signalen, men vi behövde göra mycket mer komplex bearbetning för icke-linjär feedforward."
De viktigaste fördelarna med denna olinjära framkopplingsteknik är dess hastighet och flexibilitet. Processen måste vara tillräckligt snabb för att utdata kan synkroniseras med det optiska kvanttillståndet.
"Nu när vi har visat att vi kan utföra olinjär feedforward vill vi tillämpa det på faktiska mätningsbaserade kvantberäkningar och kvantfelskorrigering med vårt tidigare utvecklade system", säger Sakaguchi. "Och vi hoppas kunna öka den högre hastigheten på vår olinjära feedforward för höghastighets optisk kvantberäkning."
"Men nyckelbudskapet är att även om supraledande kretsbaserade tillvägagångssätt kan vara mer populära, så är optiska system en lovande kandidat för kvantdatorhårdvara", tillägger han.
Mer information: Atsushi Sakaguchi et al, ickelinjär feedforward som möjliggör kvantberäkning, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39195-w
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av RIKEN
