Stel je een toekomst voor waarin je kwantumcomputer niet één enkele, kwetsbare chip is. Het is een netwerk van modules. Fysiek gescheiden. Toch gedraagt het zich als één samenhangende machine.
Twintig jaar lang wisten natuurkundigen dat dit theoretisch mogelijk was. Ze konden het gewoon niet bewijzen zonder actieve, rommelige controle.
Dat is onlangs veranderd.
Onderzoekers van het Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hebben een voorspelling uit 2006 bevestigd. Ze hebben autonoom gedistribueerde kwantumverstrengeling aangetoond. Geen herhaalde metingen. Geen actieve naselectie. Gewoon een ‘kwantumbad’ dat qubits aan elkaar gekoppeld houdt.
Het is een groot probleem voor kwantumnetwerken.
Hoe een kwantumbad actieve controle vervangt
Traditionele methoden voor het verstrengelen van verre qubits zijn vermoeiend.
Meestal heb je twee keuzes. Stuur een gecontroleerd foton van A naar B. Of laat beide fotonen uitzenden en match ze dan. Deze laatste aanpak won in 2022 de Nobelprijs. Het is elegant. Het is ook onbetrouwbaar. Het hangt af van het toeval. Het mislukt meestal. Je moet door de ruis heen kijken om het signaal te vinden.
Alejandro Andrés-Juanes en professor Johannes Fink bij ISTA sloegen een ander pad in.
Ze bouwden een kwantumbad.
Zie het als een omgeving. Een gedeelde bron van gecorreleerde lichtdeeltjes stuurt energie naar twee gescheiden qubits. Het bad doet het werk. Het dwingt de qubits automatisch tot synchronisatie.
“Door de verstrengelde staten op afstand te stabiliseren is onze aanpak volledig autonoom en vereist geen actie of meting.”
Hiermee wordt een specifieke mismatch opgelost.
De natuur houdt van continue variabele verstrengeling. Het stroomt soepel. Zoals de positie van een slinger. Makkelijk te maken.
De meeste kwantumcomputers hebben discrete variabele verstrengeling nodig. Binair. Alles-of-niets. Moeilijk direct te genereren.
Het ISTA-team gebruikte het bad om het continue in het discrete om te zetten. Ze overbrugden de kloof tussen wat gemakkelijk te produceren is en wat praktisch bruikbaar is.
Waarom verstrengeling langer meegaat dan de Qubits
Dit is het kernvoordeel.
In standaardsystemen is verstrengeling van voorbijgaande aard. Het sterft wanneer de qubits decoheren. Je moet snel handelen. Als je het raam mist. De verbinding wordt verbroken.
Het kwantumbad verandert de regels.
De omgeving zelf wordt de bron van stabiliteit. Een continue stroom van microgolffotonen handhaaft de gedeelde staat.
Er ontstaat een nieuwe grondtoestand.
De verstrengelde toestand overleeft langer dan de natuurlijke levensduur van de individuele qubits. Het blijft beschikbaar. Altijd klaar. Dit is conceptueel significant. Je haast je niet. U krijgt toegang tot de bron wanneer u deze nodig heeft.
Andrés-Juanes merkt op dat deze methode kan worden geschaald. Het is niet beperkt tot twee qubits. U kunt meerdere verre processors synchroniseren.
Waar dit past in het kwantumlandschap
Bij het experiment werd gebruik gemaakt van supergeleidende qubits. Dit zijn de werkpaarden van bedrijven als IBM en Google.
Het bad communiceerde via microgolffotonen. Lage energie. Nauwkeurige controle.
Maar er is een breder doel.
Fink’s groep kijkt ook naar optische fotonen. Deze reizen via glasvezelkabels. Ze dragen kwantuminformatie over afstanden. Microgolffotonen zorgen voor de lokale verwerking. Optische fotonen verzorgen de langeafstandsverbinding.
Het ISTA-prototype is een stap in de richting van hybride systemen. Lokale stabiliteit ontmoet mondiale connectiviteit.
Welke beperkingen blijven er bestaan?
Raak niet te opgewonden.
De methode werkt. Het is een proof-of-concept.
Maar het is nog niet efficiënt.
Momenteel draagt het systeem slechts ongeveer 10% van de beschikbare verstrengeling van het bad over. Actieve controlemethoden zijn sneller. Ze zijn preciezer op de korte termijn.
Waarom duurde het twintig jaar?
De oorspronkelijke theorie ging uit van ideale omstandigheden. Echte laboratoria zijn rommelig. Fink legt uit dat eerdere wetenschappers geen functioneel kwantumbad konden ontwerpen vanwege experimentele ruis. Ze misten factoren die verhinderden dat de correlatie met één bron werkte.
Het ISTA-team heeft de resultaten geverifieerd met behulp van kwantumtomografie. Ze reconstrueerden de toestand op basis van metingen die slechts 20 tot 80 nanoseconden duurden. Een miljardste van een seconde is een lange tijd in de kwantumfysica. Ze hebben de staat gevangen genomen voordat deze instortte.
“Qubits kunnen zich in een superpositie van toestanden bevinden, maar al deze toestanden storten in als we de toestand meten, waardoor we een 0- of een 1-toestand krijgen.”
Dus.
Is hij klaar voor je laptop? Nee.
Is het een basis voor fouttolerante kwantumnetwerken? Mogelijk.
Het bad houdt de verbinding levend. Het wacht. Het dwingt niet. En voor gedistribueerde kwantumcomputing is dat geduld misschien wel het belangrijkste kenmerk van allemaal.
