Forskere på DTU strammer grebet om kvantecomputeren

fredag 09 jul 21
|

Kontakt

Ulrik Lund Andersen
Professor
DTU Fysik
45 25 33 06

Kontakt

Jonas Schou Neergaard-Nielsen
Seniorforsker
DTU Fysik
61 77 45 38
I et nyt banebrydende arbejde har forskere fra DTU nu realiseret den fulde platform for en optisk kvantecomputer. Platformen er universel og skalerbar, det hele foregår ved stuetemperatur og teknologien er direkte forenelig med standard fiberoptiske netværk. Dermed lægger DTU sig helt i front med udviklingen. 

Optiske kvantecomputere har længe ligget i skyggen af superledende teknologier, der er blevet accelereret af enorme udviklingsprogrammer hos teknologigiganter som IBM og Google. Nu er situationen ved at vende, blandt andet på grund af en perlerække af pionerarbejder udført af forskere ved grundforskningscentret bigQ på DTU Fysik. 

Forskerne på DTU begrænser sig nemlig ikke til bare at udvikle enkelte komponenter til en optisk kvantecomputer eller blot en kvantesimulator. De går målrettet efter at udvikle en universel målingsbaseret optisk kvantecomputer.

Kan udføre en vilkårlig algoritme

Selvom den type kvantecomputer DTU-forskerne udvikler er konceptuelt meget forskellig fra en sædvanlig computer, så er der også ligheder. 

"Det, at vi har vist et universelt sæt af gates, er helt afgørende. Det betyder nemlig, at en hvilken som helst algoritme vil kunne realiseres på vores platform givet de rette inputs, nemlig optiske qubits. Computeren er fuldt programmerbar"
Mikkel Vilsbøll Larsen

Der er nogle grundlæggende logiske enheder (qubits), som bærer informationen, og så er der gates, som udfører operationer på én eller flere qubits og derved implementerer en algoritme. 
Demonstrationen af et såkaldt universelt gatesæt, og implementeringen af en række operationer ved hjælp af disse, er netop det der udgør det nye fremskridt inden for optisk kvantecomputing. 

”Det, at vi har vist et universelt sæt af gates, er helt afgørende. Det betyder nemlig, at en hvilken som helst algoritme vil kunne realiseres på vores platform givet de rette inputs, nemlig optiske qubits. Computeren er fuldt programmerbar”, udtaler Mikkel Vilsbøll Larsen, der har været hoveddrivkraften bag arbejdet og for nylig afsluttede sit Ph.d.-studie på DTU.

Skalering gør kvantecomputeren praktisk relevant 

Potentialet for kvantecomputeren er enormt og dens dramatisk forøgede regnekraft i forhold til sædvanlige transistorbaserede computere vil muliggøre disruptiv innovation inden for en bred vifte af områder af stor betydning for Danmark, så som lægemiddelindustrien, optimering af transportsektoren og udvikling af materialer til CO2-opfangning og lagring. 

Helt afgørende for at indfri det potentiale er, at kvantecomputeren realiseres på en platform, der gør det muligt at skalere til tusindvis af qubits, forklarer seniorforsker Jonas S. Neergaard-Nielsen, der er en af de bærende kræfter bag arbejdet.

”Teoretisk set er der ingen forskel på, om en kvantecomputer er baseret på superledende eller optiske qubits. Men der er en afgørende praktisk forskel. Superledende kvantecomputere er begrænset til det antal qubits, der er fabrikeret på den konkrete processor-chip. I vores system skaber vi hele tiden nye og sammenfiltrer dem kvantemekanisk, med dem vi er i gang med at udføre beregninger på. Det betyder, at vores platform let kan skaleres”.  

”Derudover behøver vi ikke køle det hele ned i store kryostater, men kan gøre alt ved stuetemperatur i optiske fibre.  At systemet er baseret på optiske fibre gør også, at det vil kunne kobles direkte på et kommende kvanteinternet, uden vanskelige mellemled”. 

Skaleringsmilepælen passerede forskerne allerede tilbage i 2019, da de i en artikel i Science redegjorde for, hvordan de som nogle af de første i verden havde frembragt den grundlæggende struktur for en målingsbaseret optisk kvantecomputer – en såkaldt to-dimensionel klyngetilstand med over 30.000 sammenfiltrede lystilstande.

Ser allerede målrettet fremad

Selvom man måske kunne fristes til at hvile på laurbærrene bare for en stund, så er forskerteamet allerede videre mod nye mål. 

Tidligere i år udviklede de og søgte patent på en fuld teoretisk ramme for, hvordan deres teknologi også på sigt kan favne fejlkorrektion. Det er en af de helt store aktuelle udfordringer for kvantecomputerteknologi. 

”Det er et vigtigt forskningsresultat vi lige har publiceret, og vi er stolte af det. Men ambitionerne rækker meget længere end det. Det langsigtede mål er en kvantecomputer der kan løse relevante problemer og indfri det potentiale vi alle stræber efter”, udtaler professor Ulrik L. Andersen, der er leder af bigQ og har superviseret hele forskningsprogrammet. 

”Vi ved, hvad der skal til for at bringe vores nuværende teknologi ned på en optisk chip og introducere fejlkorrektion, og vi har de relevante internationale samarbejder kørt i stilling. Det samme gælder virksomheder, der er ivrige efter af udvikle use cases sammen med os.” 

Forskerne på DTU er med andre ord parate til de næste udfordringer og til at tage skridtet videre fra grundforskning til innovation. Det er faktisk bare finansieringen, der mangler.

Arbejdet er publiceret i artiklen:

Mikkel V. Larsen, Xueshi Guo, Casper R. Breum, Jonas S. Neergaard-Nielsen og Ulrik L. Andersen ”Deterministic multi-mode gates on a scalable photonic quantum computing platform”, Nature Physics

Om kvantecomputere

En universel kvantecomputer er fuldt programmerbar i den forstand at den rummer et sæt af logiske operationer, der gør der muligt at udføre en hvilken som helst algoritme.

En kvantesimulator er et stykke hardware designet til at udføre en helt specifik beregningsopgave. Den kan ikke programmeres men er ’hard coded’ til at at køre én bestemt algoritme