211service.com
Op weg naar een kwantuminternet
De belofte van kwantumcomputers is verleidelijk groot: vrijwel onmiddellijke probleemoplossing en perfect beveiligde gegevensoverdracht. Voor het grootste deel blijven kleinschalige demonstraties van kwantumberekening echter geïsoleerd in laboratoria over de hele wereld. Nutsvoorzieningen, Prem Kumar , een professor in elektrotechniek en informatica aan de Northwestern University, heeft een stap gezet om quantum computing praktischer te maken. Kumar en zijn team hebben aangetoond dat ze een kwantumlogica-poort kunnen bouwen - een fundamenteel onderdeel van een kwantumcomputer - in een optische vezel. De poort zou deel kunnen uitmaken van een circuit dat informatie veilig doorstuurt, over honderden kilometers glasvezel, van de ene kwantumcomputer naar de andere. Het kan ook op zichzelf worden gebruikt om oplossingen te vinden voor ingewikkelde wiskundige problemen.
Verstrikt web: De optische componenten op deze laboratoriumbank, zoals spiegels en filters, stellen onderzoekers in het laboratorium van Prem Kumar aan de Northwestern University in staat om licht te sturen en te manipuleren. In Kumars meest recente werk heeft hij een kwantumlogica-poort in een optische vezel gecreëerd; dergelijke poorten kunnen uiteindelijk netwerken van kwantumcomputers mogelijk maken.
Een logische poort is een apparaat dat een invoer ontvangt, er een logische bewerking op uitvoert en een uitvoer produceert. Het type poort dat Kumar heeft gemaakt, een gecontroleerde NIET-poort genoemd, heeft een klassiek computeranaloog dat een beetje omdraait en een 1 naar 0 registreert, en vice versa. Kwantumlogische poorten zoals die van Kumar zijn al eerder gebouwd, maar ze werkten met laserstralen die door de lucht gingen, niet door vezels. De nieuwe poort legt de basis voor experimenten die de mogelijkheden van kwantumcomputers in glasvezel demonstreren, zegt Kumar. Het spannende hier is dat een toepassing binnen handbereik is, zegt hij. Binnen het komende jaar zijn Kumar en zijn team van plan om de poort te testen in een specifieke toepassing: het uitvoeren van een complexe veiling via een beveiligd kwantumnetwerk.
Onderzoekers van IBM, MIT en vele andere bedrijven en universiteiten werken aan kwantumcomputers sinds ze voor het eerst werden voorgesteld in de jaren tachtig. Een kwantumcomputer is een apparaat dat stukjes informatie verwerkt door gebruik te maken van de vreemde kwantummechanische eigenschappen van deeltjes zoals elektronen en fotonen. Een kwantumcomputer kan in theorie exponentieel meer informatie verwerken dan klassieke computers. De eenheid van informatie in een klassieke computer is de bit, die ofwel een 1 ofwel een 0 vertegenwoordigt; maar in een kwantumcomputer is het de qubit, die tegelijkertijd zowel een 1 als een 0 kan vertegenwoordigen. Omdat qubits met meerdere waarden tegelijk rekenen, verdubbelt de rekenkracht van een kwantumcomputer met elke extra qubit. Met deze eigenschap zou een kwantumcomputer met slechts een paar honderd qubits aanzienlijk beter kunnen presteren dan de beste supercomputers van vandaag.
Kumars groep maakt qubits van verstrengelde fotonen. Dat betekent dat hun fysieke kenmerken, zoals polarisatie, zodanig met elkaar zijn verbonden dat als een foton een bepaalde fysieke toestand aanneemt, het overeenkomende foton onmiddellijk een overeenkomstige toestand aanneemt. Kumar toonde een paar jaar geleden aan dat glasvezel zelf ervoor kan zorgen dat fotonen verstrengeld raken, en dat ze over een afstand van 100 kilometer verstrengeld zouden blijven. Zijn recente werk, beschreven in Fysieke beoordelingsbrieven , gaat nog een stap verder en creëert een logische poort die fotonparen verstrengelt.
Om deze poort te gebruiken, heeft Kumar fotonen nodig die in alle opzichten identiek zijn, behalve polarisatie, of de oriëntatie van hun elektromagnetische velden. Deze identieke fotonen worden door optische vezels naar de poort zelf gestuurd, een klein doolhof van apparaten die fotonen in verschillende richtingen sturen, afhankelijk van op hun polarisatie. Als je door het doolhof gaat, raken bepaalde fotonenparen verstrengeld. Maar niet alle fotonen komen door de poort; pas wanneer fotonen detectoren aan de andere kant bereiken, en de onderzoekers kunnen meten of ze al dan niet verstrengeld zijn, weten ze dat de poort geslaagd is.
De enige manier om te weten of de poort werkte, is door te wachten tot er een verzameling fotonen op is afgevuurd, zegt hij. Carl Williams , coördinator van de kwantum informatie programma bij het National Institute of Standards and Technology. Meestal faalt de poort, zegt hij. Het is een probabilistisch iets. Maar als de poort het begeeft, negeren de onderzoekers de ontwarde fotonen gewoon.
Het mooie van dit werk, zegt Williams, is dat het in vezels zit. Dit is een groot probleem omdat het kan leiden tot gedistribueerde netwerken. … De voor de hand liggende toepassing is voor lange-afstand kwantumcommunicatie tussen twee kleinere kwantumcomputers. Een van de cruciale elementen in een conventioneel optisch netwerk is een apparaat dat een repeater wordt genoemd en dat signalen versterkt die over afstand zijn verslechterd. Williams zegt dat een kwantumlogische poort, zoals degene die Kumar heeft gebouwd, kan worden gebruikt in een circuit dat een signaal versterkt zonder de verstrengeling van de fotonen te verliezen.
Dit is een belangrijke stap in de richting van het bouwen van een kwantuminternet, zegt Seth Lloyd , een professor in werktuigbouwkunde aan het MIT en een vooraanstaand onderzoeker op het gebied van kwantumberekening. Zo'n netwerk zou krachten hebben die het gewone internet niet heeft, zegt hij. Met name communicatie via het kwantuminternet zou automatisch veilig zijn.
Lloyd merkt op dat het artikel van Kumar illustreert hoe een eenvoudige kwantumlogische bewerking kan worden uitgevoerd met behulp van individuele fotonen. Het huidige artikel vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in de technologie van kwantumberekening en kwantumnetwerken, zegt hij.