Lupaavia rakenneosia kvanttisimulaattoreille

Niels Bohr Instituten tutkijat ovat yhteistyössä Münsterin yliopiston ja Ruhr-Universität Bochumin kanssa kehittäneet uutta teknologiaa, joka pystyy käsittelemään valtavia määriä kvanttijärjestelmien tuottamaa informaatiota.

Deterministiset yhden fotonin valonlähteet, jotka luovat kvanttibittejä äärimmäisillä vauhdilla ja nopeuksilla, on nyt kytketty erityisesti suunniteltuihin integroituihin fotonipiireihin, jotka pystyvät käsittelemään kvantti-informaatiota riittävällä nopeudella ja laadulla heikentämättä herkkiä kvanttitiloja.

Tämä tarkoittaa, että on otettu ensimmäiset askeleet kohti fotonisten kvanttirakenteiden kehittämistä, jotka voivat esimerkiksi kuvailla ja simuloida muita monimutkaisia kvanttijärjestelmiä - kuten biologisten molekyylien värähtelydynamiikkaa.

Kvanttisimulaattori on erikoiskäyttöinen tietokone, joka simuloi kvanttijärjestelmiä käsittelemällä kvantti-informaatiota (kvanttibittejä), joita klassisten tietokoneiden on vaikea käsitellä.

”Kvanttitiedon käsittely vaatii eksponentiaalisesti kasvavaa kapasiteettia klassisessa tietokoneessa kvanttibittien määrää kasvatettaessa. Tämä tarkoittaa, että jopa melko yksinkertaisia kvanttimekaanisia ongelmia ei voida ratkaista klassisilla tietokoneilla”, sanoo Stefano Paesani.

Kvanttisimulaattori luottaa eri kvanttijärjestelmien yhteensopivuuteen. ”Voimme oppia yhdestä järjestelmästä tutkimalla toista – eli voit ”kartoittaa” yhdestä järjestelmän toiseen. Alustava näkemys monimutkaisesta järjestelmästä on kuitenkin ratkaisevan tärkeää. Esimerkiksi fotonien ja molekyylien värähtelydynamiikan välillä tapahtuu luonnollinen kartoitus: Kun molekyyli värähtelee, sen evoluutiota kuvaa sama kvanttimekaaninen operaatio, joka kuvaa piirin läpi lähetettyjä fotoneja”, Peter Lodahl toteaa.

Haasteena onkin käsitellä valonnopeudella suuria määriä fotoneja. Sen on tapahduttava erittäin nopeasti ja ilman menetyksiä. Liian montaa virhettä ei sallita tapahtuvan.

Yhteistyössä Münsterin yliopiston kanssa ryhmät ovat kahden viime vuoden aikana kehittäneet fotonipiirejä, jotka pystyvät käsittelemään kvanttibittejä fotonilähteestä – ja ovat saaneet nämä kaksi järjestelmää yhteen.

Tämä alusta näyttää todella lupaavalta ja työskennellessämme Münsterin kanssa onnistuimme toteuttamaan fotonipiirit, jotka ovat riittävän tehokkaita ja nopeita pysyäksemme fotonilähteissämme mukana. Avaamme nyt oven sovelluksille”, Stefano Paesani sanoo, instituuttinsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin: