Communicatie tussen kwantum-nodes veel betrouwbaarder met nieuwe architectuur

Een belangrijke voorwaarde voor het bouwen van krachtige computers is de mogelijkheid om verschillende onderdelen - zoals meerdere processoren - efficiënt en betrouwbaar met elkaar te kunnen verbinden. In een traditionele computer gebeurt dat met draadjes waardoor elektronen - die daarmee de waarde één of nul (bits) heen en weer kunnen sturen tussen de componenten. Bij kwantumcomputers kunnen de qubits een waarde vertegenwoordigen die tussen nul en één ligt. Bij communicatie moet die waarde betrouwbaar worden overgedragen. Tot nog toe gaat dat het best met fotonen, de basiselementen van licht.

Huidige optische techniek niet geschikt

Bij het transporteren van fotonen in een netwerk wordt gebruik gemaakt van schakelelementen, zogeheten 'waveguides' die licht in een bepaalde richting kunnen sturen. De meestgebruikte waveguides zijn unidirectioneel, ofwel ze kunnen lichtdeeltjes slechts in één richting sturen, dus links of rechts. Hoe complexer het netwerk wordt, hoe meer van dergelijke unidirectionele waveguides er nodig zijn om een lichtdeeltje op de juiste plek te krijgen. Daarom zijn er ook bidirectionele waveguides ontwikkeld.

Maar de bekende waveguides gebruiken doorgaans technologie om de deeltjes in een bepaalde richting te dwingen die makkelijk leidt tot communicatiefouten. Fotonen die kwantuminformatie moeten overbrengen, zijn daar extra gevoelig voor.

Dat bracht onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston ertoe een nieuwe architectuur te ontwikkelen, gebaseerd op nieuwe bidirectionele waveguides en die een betrouwbaarheid hebben van 96%. 

Links of rechts

Het is bekend dat wanneer er energie aan een qubit wordt toegevoegd, deze in een hogere energiestaat (exited) komt. Bij de terugval naar normale status wordt een foton uitgezonden. Een enkele qubit zal een foton willekeurig naar links of naar rechts sturen. Om daar grip op te krijgen maakten de onderzoekers gebruik van de mogelijkheid twee qubits in een verstrengelde staat te brengen (entangled). Vervolgens brachten ze één van de twee qubits in de hogere energiestatus. Deze situatie is wel bekend als de Bell-status. Bij het terugvallen wordt het foton naar links of naar rechts gestuurd afhankelijk van hoe de onderzoekers de Bell-status hebben geprepareerd.

Afstemmen en ontvangen

Het foton heeft bovendien een bepaalde frequentie en een bepaalde energie. Als de ontvangende module dezelfde frequentie heeft, kan het proces in omgekeerde richting plaatsvinden. Heeft de ontvanger een andere frequentie, passeert het foton de module ongehinderd. "Vergelijk het met het afstemmen van de radio op een bepaalde zender. Als je de juiste frequentie selecteert, wordt de muziek opgepikt die op die frequentie wordt uitgezonden, zegt Bharath Kannan, een van de auteurs van het wetenschappelijk artikel dat zij over hun bevindingen schreven in Nature Physics.

Op deze manier kun gebruik maken van één fysieke verbinding waarop verschillende modules zijn aangesloten. "Dat maakt het schaalbaar", voegt collega-auteur Aziza Almanakly toe.