Når lys flettes på tværs af tid, kan der skabe simplere kvantecomputere

Kvantecomputere virker, fordi de udnytter sammenfiltring – entanglement - en kvantefysisk kobling, hvor to partikler opfører sig som én helhed, uanset afstand.

Det er netop denne egenskab, der i princippet kan lade en kvantecomputer løse opgaver på få timer, som selv verdens hurtigste supercomputere ville bruge millioner af år på.

Men for lyspartikler – fotoner - lysets mindste byggesten – er det her, udfordringen ligger.

"Der er mange måder at bygge sådan en maskine på. De fleste bruger fangede atomer eller ioner, som kan sammenfiltre partikler mere direkte – men de er langsomme og svære at skalere op," siger Peter Lodahl, professor og gruppeleder for Quantum Photonics Group ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Danmark, og grundlægger samt Chief Quantum Officer hos Sparrow Quantum ApS.

En ny undersøgelse i Nature Communications viser, hvordan en fusionsmetode til fotoniske kvantecomputere kan overvinde denne barriere.

Når lys lærer at huske

Fotoner er hurtige, lette at styre i kredsløb og perfekte til at sende information over store afstande – men de reagerer ikke på hinanden på en stabil og forudsigelig måde, og derfor er det svært at få dem til at blive sammenfiltret. I København krævede det et tværfagligt team – fra nanofabrikation til kvanteoptik – for at få det til at virke i praksis.”

"Vi bruger et enkelt elektronspin i kvanteprikken til at bestemme de udsendte fotoner. Den første foton sendes gennem en lyssløjfe, så den kan møde den næste, når begge rammer en stråledeler," forklarer Lodahl. "På den måde kan vi fusionere sammenfiltringen mellem elektronens kvantetilstande – dens magnetiske spin – på tværs af tiden."

Endnu mere slående er det, at teamet viste, at denne proces holder informationen i live længere end spinets naturlige hukommelse. Som Peter Lodahl udtrykker det: "Man kan tænke på det som en slags kvantehukommelse – information gemmes i lyset et øjeblik og flyttes så tilbage til spinnet. Informationen bliver i praksis teleportéret til den nye spintilstand, så den lever videre ud over den oprindelige partikel."

Store kvantenetværk kan bygges med kun én lyskilde. I dagens helt optiske tilgange kan der være behov for tusindvis af separate fotonkilder for at skalere op. "Her," understreger Lodahl, "kan vi udføre det samme med en enkelt kvanteprik, som vi bare genbruger igen og igen."

Udfordringen: når lys ikke vil samarbejde

Kvantecomputere fungerer kun, hvis deres partikler arbejder sammen som et hold. Men i fotonik, hvor aktørerne er fotoner, er det et mareridt. Fotoner er noget ukontrollerbare: når de mødes, bliver de nogle gange sammenfiltrede og andre gange ikke – en probabilistisk - tilfældig - proces, der styres af kvantemekanikkens love.

"Det gør det ekstremt svært at få to af dem til at gøre noget sammen pålideligt – og de her to-partikel-porte er jo de grundlæggende byggesten i kvantecomputere," siger Peter Lodahl.

På grund af dette måtte forskerne genoverveje hele arkitekturen i fotonisk kvantecomputering. Et lovende alternativ er fusionsbaseret fotonisk kvantecomputing. I stedet for at forsøge at realisere deterministiske fotoniske porte med to qubits, skabes der små sammenfiltrede klynger af fotoner, som derefter smeltes sammen til større netværk.

Problemet? I de fleste laboratorier er skabelsen af de indledende sammenfiltrede tilstande stadig probabilistisk – som at kaste terninger hver gang. Nogle gange virker det – ofte ikke. "Det er lidt som at bygge et korthus, hvor hvert nyt kort kun hænger fast én ud af ti gange," forklarer Lodahl.

Det gør skalering smerteligt langsom. Som holdet i København påpeger, "er den virkelige udfordring at generere disse første ressourcetilstande pålideligt. At stole udelukkende på probabilistiske kilder øger mængden af nødvendig hardware betydeligt, og det bliver hurtigt uhåndterbart." Forskere over hele verden har brugt år på at tackle denne flaskehals, og dette gennembrud afslører en ny vej.

Gennembrud: første sammenfiltring på tværs af tid

Fremskridtet kommer fra brugen af kvantelyskilder - emittere – små enheder som halvleder-kvanteprikker, der kan affyre sammenfiltrede fotoner efter behov. Ingen terningekast, ingen måske'er: hver gang du trykker på knappen, får du det par, du har brug for.

Hidtil har forskere kun kunnet sammenflette fotoner, der blev dannet på samme tid. Men det ville kræve at jonglere med mange lyskilder på én gang – en opgave, der hurtigt bliver til et teknisk cirkus.

Denne undersøgelse viser en ny vej: tidslig fusion. I stedet for at bruge mange lyskilder, genbruges den samme igen og igen og fusionerer fotoner, der er skabt på forskellige tidspunkter. Resultatet er en usædvanlig form for tidsadskilt sammenfiltring – en måde at sy lys sammen på tværs af øjeblikke – som gør skalering langt enklere.

Som Peter Lodahl udtrykker det: "Dette bringer teorien ud i praksis. Pålidelige lyskilder og tidsmæssig fusion kan sammen være de afgørende ingredienser til at opbygge virkelig store fotoniske kvanteteknologier."

Han bemærker også, at resultatet bygger på mange års teamwork – fra opbygningen af opsætningen til finpudsningen af protokollerne.

En miniaturefabrik af lys og stof

For at få tidsfusion til at fungere benyttede det københavnske team sig af en enkelt halvleder-kvanteprik – designet, fremstillet og testet gennem et tæt samarbejde mellem fysikere, ingeniører og kvanteoptik-specialister.

Tænk på det som en miniaturefabrik, hvor stof og lys indgår en aftale. Hver gang elektronens spin vender, udløses en foton, hvis timing er låst til spinnet – hvilket gør kvanteprikken til en oversætter mellem stoffets verden og lysets verden.

"Denne spin-foton-grænseflade er den væsentlige byggesten," forklarer Lodahl. "Den gør det muligt for os at skabe de små sammenfiltrede tilstande, der kan fusioneres til større kvante-netværk."

For at holde processen effektiv er kvanteprikken indlejret i en fotonisk krystalbølgeleder – en mikroskopisk lyskanal, der leder hver foton ind i en ren optisk motorvej næsten uden tab. Den fangede elektron kan befinde sig i to spintilstande, kvanteækvivalenterne til 0 og 1. Magnetfelter og laserimpulser vender eller nulstiller spinnet, mens specielle teknikker dæmper støjen fra omgivende atomer, så spinnet forbliver stabilt længe nok til at udføre sin opgave.

"Som et resultat," siger Lodahl, "kan vi generere spin-foton-sammenfiltring efter behov. Det er som at binde en elektron direkte til en foton. Fotonens kvantebit er simpelt hen, om den kommer ud tidligt eller sent – et binært tik-tak, der er låst til elektronens spin."

Når fotoner født på forskellige tidspunkter mødes

Når kilden er på plads, er udfordringen at få fotoner, der er skabt på forskellige tidspunkter, til at mødes, som om de var tvillinger. Hver emissionscyklus varer kun et par hundrede nanosekunder, så fotonerne kommer naturligt ud efter hinanden.

"For at få dem til at mødes sender vi den første foton ind i en fiberforsinkelse – i praksis en venteløkke, hvor den holder pause, indtil dens partner er klar," forklarer Lodahl. "Derefter ankommer begge fotoner sammen til en stråledeler."

I det øjeblik interfererer de to fotoner og gennemgår en såkaldt probabilistisk fusionsmåling – en måleproces, der binder to kvantetilstande sammen. Hvis detektorerne klikker på den rigtige måde, er fusionen lykkedes, og der skabes en ny sammenfiltret spintilstand.

Når partikler giver hånd med deres egen fortid

Med platformen på plads satte teamet sig for at bevise noget, der aldrig før var blevet vist: at fotoner skabt på forskellige tidspunkter stadig kan bruges til at fusionere et enkelt spin ind i en sammenfiltret tilstand – ikke kun på tværs af rummet, men også på tværs af selve tiden.

"Med den spin-foton-grænseflade, vi lige har beskrevet, kan vi generere to runder af spin-foton-sammenfiltring i træk – hver foton mærket som enten tidlig eller sen, afhængigt af spinets orientering," forklarer Lodahl.

De to fotoner opstår med kun 300 nanosekunders mellemrum – en lille brøkdel af et millisekund. Den første sendes ind i en fiberforsinkelseslinje, indtil den anden foton er klar. Begge ankommer derefter samtidig til stråledeleren. Hvis detektorerne udløses på den rigtige måde, fusionerer de to tilstande.

"Det, der egentlig sker," siger Lodahl, "er, at elektronens spin bliver forbundet med sin egen fortid – som om den giver hånd med sig selv på tværs af tiden. Det er det særlige ved det. Og det er en kæmpe fordel for fusionsbaseret fotonisk kvantecomputing, fordi vi kan genbruge den samme kvanteprik igen og igen i stedet for at skulle bygge flere qubits."

Med andre ord kan et enkelt spin nå tilbage og blive sammenfiltret med sig selv på et tidligere tidspunkt. Denne tilgang reducerer hardware og forbedrer effektiviteten for kvantearkitekturer.

Teleportation i tiden: kvanteinformation, der overlever sig selv

For at bevise, at fusionen var lykkedes, undersøgte forskerne, hvordan de to spintilstande opførte sig, når de blev målt i forskellige retninger – svarende til at kaste to mønter på forskellige måder og se, om de stadig lander på samme side.

"Mønstrene stemte langt oftere overens, end tilfældigheden tillod," forklarer Lodahl.

Mere teknisk: Teamet målte partiklerne i tre måleretninger. I alle tilfælde var resultaterne langt stærkere end tilfældigheden – klart over 50-procentsgrænsen, der adskiller ægte sammenfiltring fra almindelig støj.

Og så kom den virkelige overraskelse: Det var ikke selve spinnet, der lagrede hukommelsen om den sammenfiltrede tilstand – det var fotonerne. Det betød, at kvanteinformationen faktisk overlevede spinnets egen naturlige hukommelsestid - kohærenstid – den tid et kvantesystem husker sin tilstand.

"Det er næsten som teleportation i tiden," siger Lodahl. "Kvanteinformationen bliver ikke i den samme partikel, fordi spinnet bliver nulstillet, men den flytter sig gnidningsfrit fra spin til foton og tilbage igen. På den måde kan informationen overleve hukommelsen og dukke op igen senere."

Denne opdagelse var kun mulig takket være teamets omhyggelige målinger, der blev gentaget utallige gange for at finde det skrøbelige signal skjult i støjen.

Hvor præcis er tidsfusionen?

I praksis får fotonerne sammenfiltringen til at vare længere, end spinnet kunne klare på egen hånd. Men hvor godt fungerer metoden egentlig? Teamet målte fejlprocenten – altså hvor ofte systemet gav det forkerte svar.

"Noget af støjen kommer fra selve spin-initialiseringen og aflæsningen, så den er ikke fundamental," forklarer Lodahl. "I ZZ-basen var fejlprocenten ret lav – omkring 17 % – mens den i XX- og YY-baserne lå højere, cirka en tredjedel af gangene."

Til sammenligning kræver en fejltolerant kvantecomputer – en computer, der selv opdager og retter fejl i realtid - fejlprocenter under ca. 1 % - altså færre end 1 ud af 100 målinger må gå galt. Det betyder, at dagens resultater stadig er en størrelsesorden fra målet.

Man kan sammenligne det med en telefonsamtale, hvor hvert tredje ord falder ud – man kan godt følge med, men ikke med den pålidelighed, der kræves for at stole fuldt ud på systemet.

Den gode nyhed er, at støjen ikke kommer fra fotonerne eller fusionsmetoden, men fra måden, spinnene forberedes og aflæses på. Fremtidig teknik kan derfor realistisk set løse problemet – og det arbejder teamets yngre forskere allerede på med nye metoder til spinkontrol.

Lyset er ikke problemet

Forskerne viste, at støjen primært stammer fra, hvordan spinnet forberedes og aflæses – ikke fra selve fusionsmetoden.

"Støjen stammer primært fra, hvordan vi forbereder og aflæser spinnet – ikke fra fusionsprotokollen. Det er vigtigt, fordi det betyder, at vi med bedre udstyr og mere præcis spinkontrol faktisk kan bringe fejlraten ned på et fejltolerant niveau," siger Peter Lodahl.

Samlet set viser forsøget, at tidsfusion med kvantepunkter ikke bare er mulig, men også giver tydelige fordele: mindre udstyr, mere stabil sammenfiltring og ægte kvanteforbindelser på tværs af tid.

"Det her principielle bevis er en milepæl," siger Lodahl. "Det viser, at faststofkilder faktisk kan udføre de nøgleoperationer, der skal til for fusionsbaseret fotonisk kvantecomputing."

En enkelt prik, der kan erstatte tusindvis af lyskilder

At opnå tidsmæssig fusion med kun én kvanteprik er ikke blot en teknisk milepæl – det ændrer opfattelsen af, hvordan skalerbare fotoniske kvantecomputere kan bygges.

"Når vi skal helt op i fuldskala kvantecomputing, har vi i sidste ende brug for millioner af fysiske qubits – altså fotoner i vores tilfælde. Men at kunne genbruge en enkelt kvanteprik til at producere mange fotoner er en kæmpe ressource," siger Lodahl. "Den samme kvanteprik kan generere og fusionere tilstande igen og igen på tværs af tiden og dermed erstatte tusindvis af separate kilder. Det giver os en realistisk plan for at skalere kvantecomputere meget mere effektivt, end man tidligere havde troet muligt."

Gruppen har arbejdet mod denne vision i årevis, og denne demonstration viser, hvordan en omhyggeligt konstrueret kvanteprik kan udføre opgaven for mange separate kilder.

For første gang er de to væsentlige ingredienser i fusionsbaseret kvantecomputering blevet samlet i ét system: forudsigelig og gentagelig – såkaldt deterministisk - generering af sammenfiltrede ressourcetilstande og fusionering af dem til spinnetværk.

Implikationerne er umiddelbare. Den faststofbaserede kvanteprik-platform, der er udviklet på Københavns Universitet, er allerede blevet udskilt i Sparrow Quantum ApS – et firma, der kommercialiserer disse højtydende enkeltfotonkilder.

Som Peter Lodahl understreger:
"Det smukke ved den fotoniske tilgang er dens enkelhed. Man behøver kun få komponenter, og ved at gentage to trin – generering af ressourcetilstande og fusion af dem – kan man allerede væve store sammenfiltrede netværk. Det gør denne tilgang så kraftfuld."

Fra laboratoriet til kvanteindustrien

At omdanne et fysikeksperiment til fungerende teknologi kræver mere end kloge idéer – det kræver et koordineret team og i sidste ende industriel styrke. Det er netop missionen for Sparrow Quantum ApS.

Baseret på mange års arbejde fra Quantum Photonics Group – fra studerende og postdoktorale forskere i renrummet til seniorforskere, der finpudser optikken – sigter Sparrow Quantum nu mod at gøre kvanteprik-baserede fotonkilder til mere end en laboratoriekuriositet: til et pålideligt produkt.

Målet er at omdanne de skrøbelige byggesten, der først blev demonstreret i laboratoriet, til rygraden i skalerbare fotoniske netværk.

"Faststofsystemer som kvantepunkter har også klare fordele i forhold til atomare platforme," forklarer Lodahl. "De udsender fotoner hurtigere og med kortere levetid, så vi kan bruge meget kompakte forsinkelseslinjer med lavt tab. Og med aktiv spinkontrol kan vi omkonfigurere systemet efter behov og lave mange forskellige typer af sammenfiltrede tilstande."

Lige nu kører teamets platform med kun fire kvantebits – i daglig tale qubits - kvanteversionen af computerens 0/1-bit – som det første glimt fra en pære. Men der skal millioner til for at drive en fuld kvantecomputer, hvilket svarer til at oplyse en hel by. Designet er dog allerede kompatibelt med langt større og mere komplekse sammenfiltrede netværk.

"Fysikere kalder de her tilstande for GHZ- eller klyngetilstande – specielle mønstre, hvor mange fotoner bindes sammen i ét fælles netværk," siger Lodahl. "Man kan tænke på dem som forskellige vævemønstre, der binder mange fotoner sammen på én gang. Med bedre kvantepunkter og chipintegration kan vi virkelig begynde at skrue op for effektiviteten og bane vejen for skalerbarhed."

Fra teori til teknologi

Hindringerne er reelle. Dagens støjniveauer er stadig for høje til fejltolerant kvantecomputering, og skaleringsbenchmarks vil kræve større sammenfiltrede ressourcetilstande – mindst syv qubits som en første milepæl. Men for første gang er vejen frem tydelig.

"Med bedre enheder og præcis spinkontrol kan vi realistisk set reducere fejlraten til et fejltolerant niveau," siger Lodahl. "Med spændingsfri kvanteprikker, der undertrykker spin-støj, og integration af vores kilder i fotoniske kredsløb af silicium eller lithiumniobat, der opererer ved telekommunikationsbølgelængder, er køreplanen for skalering klart inden for rækkevidde."

Eksperimentet har dermed vist, at en faststofplatform kan realisere de to centrale ingredienser i fusionsbaseret fotonisk kvantecomputering – pålidelig generering af sammenfiltrede ressourcetilstande og fusionering af dem i netværk. Denne ændring er afgørende, fordi den flytter kvantefotonik ud af tankeksperimenternes verden og ind i teknologiudviklingen.

Som Peter Lodahl konkluderer:
"Med Sparrow Quantum, der driver det her fremad, er det ikke længere bare fysik på papiret. Det er det første konkrete skridt fra laboratorieeksperiment til praktisk kvantehardware – et skifte fra idé til industri – der gør den engang ret spekulative idé om at sy lys sammen på tværs af tiden til en reel teknologi."