Hogyan működhetnének quantumszámítógépek fényrészecskékkel?

Hogyan működhetnek fényrészecskékkel a quantumszámítógépek?

A fotonokon alapuló kvantumszámítógépek alig igényelnek bonyolult vákuum- és hűtési technikákat. Nehéz azonban nagyszámú kvantumbitet elérni.

A kvantumszámítógépek a kvantumrészecskék különleges tulajdonságait használják ki – például azt, hogy két hely szuperpozíciójában lehetnek.

A kvantumszámítógépek fejlesztése egyben versenyfutás is a különböző technikai megközelítések között. Ott vannak például a nagyméretű szupravezető rendszerek, amelyekben ellenállás nélkül folyó elektronáramok válnak kvantumbitekké. Ezeket óriási költségekkel hajtják előre az olyan technológiai cégek, mint az IBM és a Google. Aztán ott vannak az ioncsapdás kvantumszámítógépek, amelyekben mágneses mezők „tartják” a töltött részecskéket, hogy azokat célzottan lehessen manipulálni – ez a megközelítés erősen kötődik az ausztriai Innsbruck kutatási helyszínéhez.

A harmadik jól bevált koncepció viszont a fotonikus kvantumszámítógépek. Itt a fényrészecskék olyan kvantumbitek szerepét töltik be, amelyekben egyszerre több kvantumállapot képes szabályozott módon egymásra helyeződni.

Felhő a kvantumszámítógépekhez

Philip Walther és csapata a Bécsi Egyetem kvantumszámítás és kvantuminformatika kutatócsoportjából e fotonikus rendszerek továbbfejlesztésével foglalkozik. A gazdasági minisztérium és vállalati partnerek által finanszírozott Christian Doppler Laboratory for Photonic Quantum Computing keretében a tudósok az alapkutatást és az alkalmazásorientált kutatást kívánják összekapcsolni.

Nemcsak új architektúrákon és működési elveken dolgoznak, hogy végül a rendszereket nagyszámú kvantumbit számára skálázhatóbbá tegyék. Walther és csapata arra is törekszik, hogy az általuk alkalmazott kvantuminformáció-feldolgozási módot általánosan hozzáférhetővé tegye. Egy felhőmegoldás révén a kutatók és az érdeklődők műveleteket végezhetnek a működő rendszerrel vagy annak pontos szimulációjával. „Fel akarjuk készíteni a társadalmat és az ipart erre a nem intuitív technológiára” – hangsúlyozza Walther, aki maga is a most Nobel-díjas fizikus, Anton Zeilinger tanítványa volt.

Új kihívások

Minden kvantumszámítástechnikai megközelítéssel a kutatóknak saját kihívásokkal kell szembenézniük. A szupravezető rendszereket erősen hűteni kell, és vákuumkamrákban kell mindenféle hatástól árnyékolni. A qubitek rendkívül érzékenyek, és sok qubit nagy biztonsággal történő hibamentes vezérlése és kiolvasása még mindig aligha lehetséges. Az ioncsapdák szintén vákuumban működnek; itt a részecskéket lézerrel hűtik. A hatékony hibajavítás itt is az egyik legfontosabb „építkezés”.

Ehhez képest Walther a fotonikus rendszereket „barátságosabb” technológiának látja. „Nincs szükségünk vákuumra, és minden szobahőmérsékleten is működik. A fényforrást és a detektorokat is hűtik, de itt jól bevált plug-and-play műszereket használnak” – hangsúlyozza Walther az előnyöket.

Fotonvezérlés

A kutatók a fényrészecskék polarizációját vagy helyét felhasználva szuperpozíciós állapotokat hoznak létre, amelyek lehetővé teszik a kvantumszámításokat. A fény természetéből adódóan azonban megvannak azok a nehézségek is, amelyeket le kell küzdeni. „Egyetlen fényrészecskét létrehozni nehéz” – mondja Walther. „Olyan, mintha a természet minden erejével küzdene ellene”. Az egyes fotonok előállításához a kutatók egy olyan eszközt használnak, amelyet a kvantumkriptográfiában is széles körben alkalmaznak: egy félvezető anyagból készült kvantumpontot – egy úgynevezett mesterséges atomot – egy lézerrel úgy lőnek bele, hogy az egyes fotonokat szabadít fel.

A problémát nemcsak az jelenti, hogy milyen gyorsan lehet egymás után előállítani a fényrészecskéket, hanem az is, hogy a fotonokat „befogják”, hogy azokat a kívánt módon lehessen manipulálni. „Jelenleg nyolc fotonnál tartunk, amelyeket qubitként tudunk irányítani. A következő két évben a 20 felé szeretnénk elmozdulni” – számol be Walther. „A 2027-ig tartó CD-laboratórium végére pedig 40-50 körül lesz a számunk”.

Átláthatatlan döntések

A fotonokat információhordozó kvantumbitekként kódolják, majd optikai hálózatok vagy úgynevezett fotonikus chipek útjain keresztül továbbítják. Az utak kereszteződéseinél a qubitek kölcsönhatásba lépnek egymással, és „döntenek” a különböző irányokról, amelyek meghatározzák a chiphálózaton átvezető utat és így a számítási eredményt. Mivel a fotonok de facto nem lépnek kölcsönhatásba a környezettel, nincsenek olyan zavaró hatások sem, amelyeket hibajavítással kellene kompenzálni, mint más kvantumrendszerekben.

„Más problémáink is vannak” – magyarázza Walther. „A legnagyobb ezek közül az a veszély, hogy egyszerűen elveszítjük a fotont. Annak az esélye, hogy a fényrészecske valóban kijut a chip másik végén, soha nem 100 százalékos”.” Ez a hiba állandó és reprodukálható. Csak sok kísérlet statisztikai kiértékelésével lehet végleges eredményt kapni. Ugyanakkor ez a tulajdonság a rendszerek könnyű skálázhatóságának is útjában áll.

Online platform

A kontinentális Európa első kutatócsoportjaként Walther és csapata a CD Lab során egy online platformot hozott létre, amely lehetővé teszi a felhasználók széles körének, hogy fotonikus kvantumszámítógéppel számoljanak. Ahogy a létesítmény tovább bővül, a kísérlethez való közvetlen hozzáférést felváltja majd a szimuláció – ami jelenleg is így van. Walther: „Amint a továbbfejlesztett rendszerünk működőképes lesz, a PhotonQ platformon is használható lesz”.

Kép: starline a Freepiken

Az eredeti cikk a derstandard.at-n jelent meg.