Quantum Networking at the Speed of Quantum Computation: Kilohertz Entanglement in a Heterogeneous Quantum System

Het bouwen van een computer die problemen kan oplossen die buiten het bereik van de machines van vandaag liggen, vereist een fundamentele verschuiving in hoe we over informatie denken. In plaats van bits die ofwel nul of één zijn, gebruiken deze toekomstige machines quantum bits, of qubits, die tegelijkertijd in een delicate mix van beide toestanden kunnen bestaan. Om deze machines krachtig genoeg te maken om reële uitdagingen aan te pakken, kunnen wetenschappers niet vertrouwen op één enkele chip; ze moeten vele kleine processoren aan elkaar koppelen tot een uitgestrekt netwerk. De uitdaging is dat het verbinden van deze afzonderlijke modules ongelooflijk moeilijk is. De verbinding moet snel genoeg zijn om te voorkomen dat de quantuminformatie vervaagt, en het moet nauwkeurig genoeg zijn om ervoor te zorgen dat de twee uiteinden van de link perfect gesynchroniseerd zijn. Als de verbinding te traag of te foutgevoelig is, stort het hele systeem in voordat het een berekening kan voltooien.

Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd deze kloven te overbruggen met behulp van licht. Fotonen, de deeltjes waar licht uit bestaat, zijn uitstekende dragers van informatie omdat ze snel reizen en zwak interageren met hun omgeving. Het verzenden van een foton van de ene processor naar de andere is echter als het proberen te vangen van een vuurvliegje in een orkaan; meestal gaat het licht verloren voordat het zijn bestemming bereikt. Dit verlies dwingt wetenschappers om telkens opnieuw te beginnen, wat het hele proces vertraagt tot een kruipend tempo. Het doel is altijd geweest om een manier te vinden om deze verbinding duizenden keren per seconde te laten plaatsvinden, passend bij de snelheid waarmee de processoren zelf werken.

Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap richting dat doel gezet door met succes twee zeer verschillende soorten quantumsystemen te koppelen op een snelheid die nog nooit eerder is bereikt. Ze verbonden een enkel atoom, gevangen in een vacuüm door elektrische velden, met een minuscuul defect binnen een diamantkristal. Het atoom fungeert als een processor, terwijl het defect in de diamant dient als een geheユニット (geheugeneenheid). Door een lichtstraal te gebruiken om de kloof tussen hen te overbruggen, slaagde het team erin een speciale link te creëren genaamd verstrengeling (entanglement), waarbij de twee verre objecten zo diep met elkaar verbonden raken dat de toestand van de een de ander onmiddellijk beïnvloedt. Ze bereikten deze link met een gemiddelde snelheid van 1,03 duizend keer per seconde, een snelheid die overeenkomt met de cyclustijd van de processoren die ze in de toekomst willen verbinden.

Het experiment omvatte een zorgvuldig gechoreografeerde reis voor een enkel lichtdeeltje. Het begon met een bariumion, een enkel bariumatoom, dat in een vacuümkamer werd vastgehouden. De onderzoekers exciteerden dit atoom met een laserpuls, waardoor het een foton uitzond. Dit foton droeg informatie over de interne toestand van het atoom, maar het was nog niet klaar om naar de diamant te reizen. Het foton moest van kleur worden veranderd en de informatie moest in een nieuw formaat worden herschreven zodat de diamant het kon begrijpen. Het team gebruikte een speciaal kristal om de kleur van het foton te veranderen en een ander apparaat om de manier waarop de informatie werd gecodeerd te verschuiven, waardoor het transformeerde van een signaal gebaseerd op polarisatie naar een signaal gebaseerd op timing.

Zodra het foton gereed was, reisde het via glasvezelkabels naar een diamantchip die gekoeld was tot een temperatuur net boven het absolute nulpunt. Binnen deze chip bevond zich een silicon-vacancy center, een specifiek type defect waar een siliciumatoom op de plek zit die normaal door een koolstofatoom wordt ingenomen. Dit defect fungeert als een quantumgeheugen. Wanneer het foton arriveerde, interageerde het met de elektronspin van het siliciumdefect. Als het foton door de diamantcaviteit werd gereflecteerd, betekende dit dat de interactie had plaatsgevonden en dat de twee systemen nu verstrengeld waren. De detectie van dit enkele gereflecteerde foton diende als een signaal, of een 'herald', die bevestigde dat de verbinding succesvol was gemaakt.

De onderzoekers maten de kwaliteit van deze verbinding en stelden vast dat deze opmerkelijk hoog was. De verstrengelde paren die zij genereerden, waren in 88 procent van de gevallen correct. Dit niveau van nauwkeurigheid is cruciaal, omdat het betekent dat de link betrouwbaar genoeg is om in toekomstige quantumnetwerken te worden gebruikt. De snelheid van 1,03 duizend verbindingen per seconde is vier keer sneller dan het vorige record voor het koppelen van twee gevangen ionen. Belangrijker nog, deze snelheid komt overeen met één succesvolle verbinding elke milliseconde, wat de snelheid is waarmee de geplande ion-gebaseerde processoren zullen werken. Deze synchronisatie is essentieel; als het netwerk trager is dan de processor, zal de computer de meeste tijd doorbrengen met wachten op data in plaats van met rekenen.

Het succes van dit experiment berustte op het combineren van de sterke punten van twee verschillende technologieën. Het gevangen ion is uitstekend in het snel uitzenden van fotonen, maar het is moeilijk om die fotonen efficiënt te verzamelen. Het diamantgeheugen is daarentegen erg goed in het interageren met fotonen, maar heeft moeite om ze op eigen kracht te genereren. Door deze twee te koppelen, creëerde het team een hybride systeem waarbij het ion de snelheid levert en de diamant de efficiëntie. Ze overwonnen de gebruikelijke afruil door een opstelling te gebruiken die het mogelijk maakte om het licht van het ion te verzamelen zonder complexe optica in de vacuümkamer te plaatsen, en het vervolgens met hoge precisie te reflecteren tegen het diamantgeheugen.

Hoewel de resultaten indrukwekkend zijn, benadrukken de onderzoekers dat dit niet de eindbestemming is. Het huidige systeem verliest nog steeds enkele fotonen onderweg, en de fideliteit, of nauwkeurigheid, van de verbinding is nog niet perfect. Het team identificeerde specifieke bronnen van fouten, zoals licht dat door filters lekt of het geheugen dat zijn toestand verliest voordat de verbinding wordt bevestigd. Ze geloven dat door de verzameling van licht te verbeteren, het conversieproces te verfijnen en betere detectoren te gebruiken, ze de snelheid nog hoger kunnen opstuwen, potentieel reikend tot snelheden van vijf duizend verbindingen per seconde of meer.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om een quantumnetwerk te bouwen dat opereert op de snelheid van de processoren die het verbindt. Het bewijst dat heterogene systemen, die verschillende soorten quantumhardware mengen, effectief kunnen samenwerken. Terwijl de onderzoekers vooruitkijken, zien ze een pad om vele dergelijke modules aan elkaar te koppelen om een grootschalige quantumcomputer te creëren. Deze architectuur zou het mogelijk maken om de verstrengeling over een netwerk te distribueren, waardoor processoren samen kunnen werken aan complexe algoritmen. Het vermogen om quantumtoestanden te teleporteren van een zwak signaal naar een krachtige processor zou ook nieuwe deuren kunnen openen voor sensing en communicatie. Het experiment staat als een concreet bewijs dat de flessenhals van trage, probabilistische verbindingen overwonnen kan worden, waardoor de visie van een gedistribueerd quantuminternet een stap dichter bij de realiteit komt.