Programmeerbare lichtchip
Er wordt veel gesproken over de kwantumcomputer en (minstens) een bedrijf zegt er al een te maken (D Wave Systems), maar het kwantumtijdperk laat nog even op zich wachten. Zo af en toe worden er vorderingen gemeld, zoals nu uit het Verenigd Koninkrijk. Onderzoekers van, onder meer, de universiteit van Bristol hebben een universele programmeerbare lichtchip gemaakt, waardoor de (fotonische) kwantumcomputer een stukje dichter bij de verwerkelijking komt. De lichtchip schijnt al enkele kwantummechanische kunststukjes te hebben uitgehaald.
Het onderzoek bouwt voort op het werk van de Duitse wiskundige Adolf Hurwitz uit 1897. Die liet zien hoe een matrix van complexe getallen, een eenheidsoprator, is op te bouwen uit kleinere 2×2-matrices, Een eenheidsoperator geeft een wiskundige beschrijving van een lineair optisch circuit. Dat is elke opstelling die gebruik maakt van licht in combinatie met gewone standaardoptische elementen zoals spiegels, halfdoorlaatbare spiegels, faseverschuivers om lichtdeeltjes (fotonen) te begeleiden en met elkaar te laten wisselwerken. De operator heeft evenveel rijen als er uitgangen zijn in het circuit en evenveel kolommen als ingangen.
In 1994 toonden Anton Zeilinger en medeonderzoekers theoretisch aan dat dat als die 2×2-matrices de componenten kunnen beschrijven in een lineair, optisch circuit die componenten gebruikt kunnen worden om de eenheidsoperator te reproduceren. Nu hebben Anthony Laing van de universiteit van Bristol met medeonderzoekers inderdaad zo’n systeem gebouwd. Het is zo ontworpen dat het op een chip past. Het resultaat bestaat uit 15 interferometers en 30 faseverschuivers. De invoer bestaat uit zes fotonkanalen, de uitvoer uit 12 fotontellers. De lichtchip is LPU gedoopt naar analogie van CPU (de L staat hier voor lineair).
Met het apparaat willen de onderzoekers niet alleen de theorie van Zeilinger c.s. vooruit helpen, maar ook een aantal specifieke toepassingen demonstreren, zoal de NIET-poort (dat zou een cruciaal onderdeel zijn van een kwantumcomputer). Zo’n poort heeft twee kwantumbits als invoer en keert de toestand van een van de twee om als de waarde van de ander een is. Natuurkundigen hebben lang gedacht dat dit niet mogelijk was met lineaire optica, maar de Bristollers zouden hebben laten zien dat dat wel degelijk mogelijk is. Laing c.s. hebben de LPU ook gebruikt als bosonmachine, een simpele kwantumcomputer die een vaste taak uitvoert: de waarschijnlijkheid berekenen hoe fotonen bij een bepaalde combinatie van ingangen bij de uitgangen terechtkomen. Zulke machines zijn makkelijk op te schalen, zegt Laing, en mogelijk kan daarmee de Church-Turing-stelling worden getest. Die stelling zegt dat elke soort berekening kan worden uitgevoerd op een Turing-machine, in feite het ouderwetse, digitale rekentuig. De kwantumcomputer zou dat idee onderuit halen, denkt Laing. Volgens de onderzoeker is de LPU volledige herprogrammeerbaar en in milliseconden om te schakelen. De lichtchip zou zelfs geschikt zijn voor theoretici. “Je hoeft je handen hiermee niet vuil te maken”, zegt medeonderzoeker Jacques Carolan.
Paul Kwiat van de universiteit Illinois vindt het werk van de Bristollers geweldig, maar heeft wel enkele opmerkingen. Zo zouden de onderzoekers niet hebben aangegeven welk deel van de fotonen verloren gaat en het systeem is nog steeds afhankelijk van niet lineaire onderdelen om de fotonen te produceren en te detecteren. “Het is net alsof je een geweldige elektrische auto hebt, die door de batterijen niet harder dan 15 km per uur haalt. Als dat probleem is opgelost, heb je iets geweldigs.” Laing geeft toe dat de productie en detectie van fotonen verliezen geeft. De oplossing daarvan is alle onderdelen te integreren, zowel lineaire als niet-lineaire, op dezelfde chip. “Dat is lastig, maar dat is wel de richting.”
Bron: physicsworld.com