A Chip-scale Space-time Multiplexed Gaussian Boson Sampling Processor Beyond 10,000 Photons

In de race om machines te bouwen die problemen kunnen oplossen die onmogelijk zijn voor de huidige supercomputers, heeft de wetenschap lang naar licht gekeken. In plaats van elektriciteit te gebruiken om door siliciumchips te bewegen zoals traditionele computers, gebruiken deze nieuwe machines stromen fotonen, of lichtdeeltjes, om informatie te dragen. Een van de meest veelbelovende manieren om dit te doen, wordt Gaussian boson sampling genoemd. Stel je een complex doolhof voor waarbij lichtdeeltjes aan één uiteinde naar binnen gaan en weerkaatsen tegen spiegels en zich splitsen via paden voordat ze aan de andere kant naar buiten komen. Omdat lichtdeeltjes zich op vreemde, kwantummechanische manieren gedragen, kunnen ze vele paden tegelijkertijd bewandelen, wat een patroon van uitgangen creëert dat ongelooflijk moeilijk te voorspellen of te berekenen is. Hoewel dit klinkt als een simpel spel van kansen, groeit het enorme aantal mogelijke uitkomsten zo snel dat zelfs de krachtigste supercomputers ter wereld duizenden jaren nodig zouden hebben om het resultaat te achterhalen. Deze moeilijkheid is wat onderzoekers een "kwantumvoordeel" noemen, een mijlpaal die bewijst dat een machine de grenzen van het klassieke computergebruik heeft overschreden. Het bouwen van deze op licht gebaseerde machines is echter een strijd geweest. Eerdere pogingen vertrouwden op logge tafels vol afzonderlijke spiegels en lenzen die met extreme precisie met de hand uitgelijnd moesten worden. Deze opstellingen waren fragiel, instabiel en moeilijk op te schalen, wat het lastig maakte om van een laboratoriumcuriositeit naar een praktisch hulpmiddel te gaan.

Een team onderzoekers heeft nu deze hindernissen overwonnen door het hele systeem te verkleinen tot een enkele chip, waardoor een apparaat is gecreëerd dat een enorm aantal lichtdeeltjes kan verwerken in een fractie van een seconde. De gepubliceerde studie beschrijft het eerste systeem op chipschaal dat een slimme truc gebruikt genaamd ruimte-tijd multiplexing om licht zowel in de ruimte als in de tijd te mengen. In plaats van een enorme fysieke ruimte vol apparatuur nodig te hebben, bouwden de onderzoekers een netwerk van minuscule paden, spiegels en schakelaars direct op een dun plakje lithiumniobaat, een speciale kristal die bekend staat om zijn vermogen om licht met hoge snelheden te manipuleren. Deze chip fungeert als een fabriek voor licht, waar pulsen door lussen worden gestuurd en over verschillende paden worden gesplitst, alles aangestuurd door elektrische signalen die miljarden keren per seconde aan- en uitschakelen. Het resultaat is een machine die niet alleen stabiel en compact is, maar ook in staat is om in een milliseconde meer dan tienduizend lichtdeeltjes te genereren en te detecteren. Deze schaal ligt ver boven wat eerder door een op chip gebaseerd systeem is bereikt, en duwt de grenzen van wat mogelijk is met lichtgebaseerde computertechnologie op.

De onderzoekers, geleid door een team van de Shanghai Jiao Tong Universiteit en TuringQ, hebben jarenlang het productieproces geperfectioneerd om ervoor te zorgen dat de chip foutloos was. Ze bouwden een speciale productielijn om deze apparaten op grote wafers te maken, waarbij elke stap zorgvuldig werd verfijnd om het verlies van licht tijdens de reis door de minuscule circuits te minimaliseren. Het uiteindelijke apparaat werkt op een kloksnelheid van 4 gigahertz, wat betekent dat het data vier miljard keer per seconde verwerkt. Om de capaciteiten te testen, injecteerden ze "squeezed light", een speciale staat waarin de lichtdeeltjes zo zijn voorbereid dat hun kwantumgedrag wordt gemaximaliseerd, in de chip. Het licht reisde vervolgens door een complex netwerk van interferometers, apparaten die lichtgolven splitsen en combineren, en vertragingslussen die het licht een fractie van een seconde vasthouden. Tegen de tijd dat het licht de detectoren aan het einde bereikte, had het systeem een enorm aantal detectiegebeurtenissen gegenereerd, waarbij de grootste enkele steekproef 11.059 fotonen bevatte. Dit aantal is significant omdat het zo groot is dat het simuleren van de uitkomst op een klassieke computer praktisch onmogelijk zou zijn, wat bevestigt dat de machine inderdaad een niveau van complexiteit heeft bereikt die traditionele berekeningen tart.

Om te bewijzen dat de machine echt werkte als een kwantumapparaat en niet alleen de resultaten nabootste met een simpelere, klassieke truc, voerden de onderzoekers strikte controles uit. Ze vergeleken de gedetecteerde lichtpatronen van hun machine met wat de theorie voorspelde voor een echt kwantumsysteem, evenals met wat er zou gebeuren als het licht gewone warmte of een standaardlaser zou zijn. De resultaten kwamen bijna perfect overeen met de kwantumvoorspellingen, terwijl de andere mogelijkheden duidelijk werden uitgesloten. Ze gebruikten ook statistische methoden om aan te tonen dat de door de machine gegenereerde gegevens werkelijk voortkwamen uit het complexe kwantumproces dat zij hadden ontworpen, en niet uit een vals of vereenvoudigd model. Deze tests bevestigden dat het systeem de juiste, hoog complexe kwantumtoestanden produceerde, wat de technische prestatie van het integreren van hogesnelheidsmodulatoren, vertragingslijnen en detectienetwerken op één kleine chip valideerde.

Naast het simpelweg bewijzen dat de machine werkt, toonden de onderzoekers aan dat deze technologie nuttig kan zijn voor meer dan alleen abstracte berekeningen. Ze herconfigureerden dezelfde chip om te fungeren als een "wereldmodel", een type kunstmatige intelligentie dat leert te voorspellen hoe fysieke systemen in de loop van de tijd veranderen. Ze kozen een klassiek natuurkundig probleem: de draaiende patronen van lucht en druk die ontstaan wanneer wind langs een cilinder blaast, bekend als een Kármán-wervelstraat. De chip werd geprogrammeerd om snapshots te maken van dit drukveld, de geschiedenis van de stroming te onthouden met behulp van de interne lichtlussen, en vervolgens te voorspellen hoe de druk er een moment later uit zou zien. Wanneer vergeleken met een standaard computerprogramma dat voor dezelfde taak is ontworpen, maakte het op licht gebaseerde systeem nauwkeurigere voorspellingen terwijl het veel minder instelbare parameters gebruikte om het patroon te leren. Dit suggereert dat de unieke manier waarop licht zich mengt en informatie onthoudt op de chip, een krachtige nieuwe manier kan bieden om complexe problemen in de fysica en techniek op te lossen, waardoor de technologie verschuift van een demonstratie van snelheid naar een instrument voor echte ontdekkingen.

Het succes van dit project markeert een keerpunt voor het gebied van de fotonische kwantumcomputing. Voor jaren was de uitdaging om systemen te bouwen die niet alleen groot genoeg zijn om een kwantumvoordeel te tonen, maar ook stabiel en programmeerbaar genoeg om bruikbaar te zijn. Door alles op een enkele chip te integreren en een productieproces te gebruiken dat kan worden opgeschaald, hebben de onderzoekers aangetoond dat deze machines kunnen worden gebouwd met de betrouwbaarheid en flexibiliteit die nodig zijn voor toekomstige toepassingen. Het vermogen om licht met een dergelijke snelheid en precisie te controleren, opent de deur naar een nieuwe generatie apparaten die problemen in materiaalkunde, klimaatmodellering en kunstmatige intelligentie kunnen aanpakken. Naarmate de technologie volwassen wordt, met plannen om nog meer componenten zoals lichtbronnen en detectoren direct op de chip te integreren, wordt de visie van een veelzijdige, programmeerbare kwantumcomputer gebouwd op een enkel stuk silicium een tastbare realiteit.