Quantumchips op 10 kilometer afstand werken samen via lichtverbinding
Twee quantumchips die in aparte koelkasten zitten, tien kilometer uit elkaar. Toch gedragen ze zich als één systeem. Dat is precies wat een groep onderzoekers nu heeft laten zien, en het is een belangrijke stap richting grotere quantumcomputers.
Een quantumcomputer gebruikt qubits: de kleinste rekeneenheden van zo'n machine. Anders dan een gewone computerbit kan een qubit niet alleen 0 of 1 zijn, maar ook allebei tegelijk. Veel soorten qubits werken alleen bij extreem lage temperaturen, kouder dan de ruimte tussen de sterren. Daarom zitten ze in speciale koelkasten, dilution refrigerators genoemd, die tot bijna het absolute nulpunt afkoelen.
Het probleem: hoe meer qubits je nodig hebt, hoe groter zo'n koelkast moet worden. Dat heeft een grens. Een oplossing is om meerdere koelkasten met elkaar te verbinden, zodat ze samen als één grote quantumcomputer werken. Maar de besturingssignalen die qubits aansturen, zijn microgolven: hetzelfde soort radiogolven als in je magnetron. Die signalen laten op grote afstand reizen zonder dat ze hun precieze timing en richting verliezen, bleek tot nu toe erg lastig.
Licht als boodschapper
De onderzoekers losten dit op met wat ze een coherente optische link noemen: een glasvezelkabel van 10 kilometer lang, waardoorheen ze licht van een laser sturen. Dat licht zetten ze eerst om van microgolf naar licht, en aan de andere kant weer terug naar microgolf. Een deel van hetzelfde laserlicht gebruiken ze bovendien als referentie, om kleine verschillen in frequentie tussen de twee koelkasten te corrigeren.
Met deze opstelling stuurden ze een volledige set besturingscommando's naar twee verschillende soorten qubits in een andere koelkast: een transmon-qubit en een cavity-qubit, allebei gemaakt van supergeleidend materiaal dat elektrische stroom zonder weerstand geleidt. Daarna verstrengelden ze de twee qubits met elkaar. Verstrengeling betekent dat de toestand van de ene qubit direct samenhangt met die van de andere, ook al zitten ze ver uit elkaar. Het is een beetje als twee dobbelstenen die, hoe ver je ze ook uit elkaar legt, altijd exact hetzelfde getal blijven gooien zodra je er een bekijkt. Die vergelijking klopt niet helemaal, want bij echte dobbelstenen is er geen onderliggend mechanisme dat dit verklaart, terwijl verstrengeling een fundamenteel quantumverschijnsel is.
Het resultaat: een zogeheten Bell-state fidelity van 80,6 procent. Dat getal zegt hoe goed de verstrengeling lukte, waarbij 100 procent perfect zou zijn. Ruim 80 procent is een duidelijk werkend resultaat, maar nog niet foutloos.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is één onderzoeksresultaat van één team, nog niet door anderen herhaald of bevestigd. Een fidelity van 80,6 procent is bruikbaar om het principe te bewijzen, maar voor echte quantumcomputers zijn vaak veel hogere percentages nodig. Er staat ook nog geen werkende, op afstand gekoppelde quantumcomputer: dit is een technisch bouwblok, geen complete machine.
Toch is het belangrijk. Als je grotere quantumcomputers wilt bouwen door kleinere stukjes aan elkaar te knopen in plaats van alles in één steeds grotere koelkast te proppen, heb je precies zo'n betrouwbare verbinding nodig. Deze proef laat zien dat het, in elk geval over 10 kilometer, kan.
Bron: Universal two-qubit control across dilution refrigerators via a 10-km coherent optical link