Implementation of a quantum addressable router using superconducting qubits

In de wereld van de moderne informatica is het verplaatsen van informatie van de ene naar de andere plek een fundamentele taak. Decennialang hebben ingenieurs geavanceerde systemen gebouwd om datapakketjes door netwerken te leiden, waarbij wordt gewaarborgd dat een bericht verzonden vanaf de ene computer de juiste bestemming bereikt zonder verloren te gaan. Dit proces, bekend als routeren, berust op een duidelijk onderscheid tussen het bericht zelf en het adres dat aangeeft waar het naartoe moet gaan. In de klassieke wereld zijn deze twee zaken gescheiden: de data is de inhoud, en het adres is een vast label geschreven in een taal die de router begrijpt. De opkomende kwantumcomputer introduceert echter een diepgaande beperking: kwantumtoestanden, die de informatie in deze nieuwe machines vasthouden, kunnen niet worden gekopieerd. Deze regel, bekend als de no-cloning stelling, betekent dat de delicate informatie binnen een kwantumsysteem niet kan worden gedupliceerd en tegelijkertijd via meerdere paden kan worden verzonden. Gevolgelijk werken de oude methoden van routeren niet. Om een toekomstig kwantuminternet of een kwantumgeheugen te bouwen dat gegevens direct kan ontsluiten, hebben wetenschappers een nieuw soort router nodig. Dit apparaat moet in staat zijn om een kwantumadres te lezen — een richting die bestaat in een staat van onzekerheid, waarbij het pad nog niet beslist is — en het kwantumsignaal dienovereenkomstig te leiden, en dat alles zonder de fragiele informatie die het draagt te vernietigen.

Een team onderzoekers van Stanford University en de University of Chicago heeft dergelijk een apparaat, een kwantumrouter die zowel het signaal als het adres op een volledig kwantummechanische manier kan afhandelen, succesvol gebouwd en getest. Ze noemen dit een Q2-router. Om te begrijpen wat ze hebben bereikt, stel je een kruispunt voor waar het verkeerslicht zelf niet een vaste rode of groene kleur heeft, maar een superpositie van beide kleuren. In een standaard kruispunt dicteert het licht de doorstroming. In deze kwantumversie is het "licht" een kwantumbit, of qubit, die in een staat kan zijn van zowel rood als groen tegelijkertijd. De taak van de router is om de auto zowel door het rode als het groene licht te laten gaan, door de auto tegelijkertijd over beide wegen te sturen, maar op een manier die de identiteit van de auto intact houdt. De onderzoekers hebben deze router geconstrueerd met behulp van een kleine chip die vier supergeleidende circuits bevat, die fungeren als kunstmatige atomen. Deze circuits worden afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt om interferentie te minimaliseren. De chip bevat een input-qubit, waar de informatie binnenkomt, twee output-qubits, waar de informatie kan verlaten, en een switch-qubit, die fungeert als het kwantumadres.

De kern van het experiment berust op een specifieke interactie tussen deze circuits. De onderzoekers hebben de chip zo ontworpen dat de input- en de switch-qubits een sterke, inherente verbinding hebben die hun gedrag verandert afhankelijk van de staat van de switch. Wanneer de switch in de ene staat is, laat het de informatie naar de eerste output stromen; wanneer het in een andere staat is, stuurt het de informatie naar de tweede output. De genialiteit van hun ontwerp is dat als de switch in een superpositie van beide toestanden is, de router de informatie van nature naar een superpositie van beide outputs leidt. Dit gebeurt zonder de noodzaak van externe instructies of complexe wijzigingen in de bedrading tijdens het proces. Het apparaat maakt gebruik van een specifiek type gate, een controlled swap, die werkt als een draaihekje dat alleen opent als de switch in de juiste positie staat. Door twee van deze draaihekjes aan elkaar te koppelen, creëerden zij een volledig routeringsprotocol. Het team heeft de pulsen van microgolfenergie die gebruikt worden om deze gates te triggeren zorgvuldig gekalibreerd, om ervoor te zorgen dat de informatie snel en nauwkeurig beweegt voordat het de kans krijgt om te degraderen.

De resultaten van het experiment werden met hoge precisie gemeten. De onderzoekers vonden dat de router de kwantuminformatie gemiddeld ongeveer 95,3% van de tijd succesvol naar de juiste bestemming leidde. Dit niveau van nauwkeurigheid is een belangrijke mijlpaal, omdat het aantoont dat het apparaat deterministisch werkt, wat betekent dat het elke keer dat het wordt uitgevoerd het juiste resultaat produceert, in plaats van te vertrouwen op toeval. Het team analyseerde de fouten die een perfecte nauwkeurigheid verhinderden en stelde vast dat deze primair werden veroorzaakt door het natuurlijke verval van de kwantumtoestanden in de tijd en kleine imperfecties in de wijze waarop de toestanden werden voorbereid of gemeten. Ze bevestigden dat het apparaat niet faalde door een fout in de logica van de routering zelf. Door de router te testen met diverse combinaties van klassieke en kwantum inputs en adressen, toonden zij aan dat het de meest algemene vorm van routering kan afhandelen, waarbij zowel het bericht als de richting kwantum zijn. Deze capaciteit is essentieel voor het bouwen van kwantum random access memory, een technologie die kwantumcomputers in staat stelt om gegevens uit een grote geheugenbank op te halen zo snel als ze deze kunnen verwerken, een functie die complexe algoritmen voor zoeken en simulatie zou kunnen versnellen.

De onderzoekers verkenden ook de grenzen van hun apparaat en identificeerden duidelijke paden voor verbetering. Zij merkten op dat de snelheid van de routering momenteel wordt beperkt door hoe sterk de qubits interageren, en dat het sterker maken van deze interacties of het verbeteren van de levensduur van de qubits de prestaties verder zou kunnen verhogen. Ze suggereerden ook dat het toevoegen van een methode om mislukte pogingen te detecteren en weg te gooien, een zogenaam genoemd erasure scheme, de betrouwbaarheid van het systeem aanzienlijk zou kunnen vergroten. Hoewel het huidige apparaat een proof of concept is, suggereert het succes ervan dat dergelijke routers als bouwstenen voor grotere kwantumnetwerken kunnen dienen. Het vermogen om kwantuminformatie te routeren op basis van een kwantumadres is een cruciale stap naar de realisatie van een functioneel kwantuminternet, waarbij informatie over grote afstanden kan worden verzonden en verwerkt met dezelfde flexibiliteit en kracht die het klassieke internet vandaag de dag definieert. Dit werk brengt het vakgebied van theoretische voorstellen naar een tastbare, werkende component, waardoor de visie van een kwantumnetwerk een stap dichter bij de realiteit wordt gebracht.