Stanford bouwt rooster van ruim 600 lichtvangers om quantumcomputers met atomen te koppelen
Natuurkundigen van Stanford bouwden een rooster van ruim 600 piepkleine lichtvangers, die elk het licht van één atoom kunnen opvangen. Dat helpt om quantumcomputers met atomen sneller uit te lezen en later aan elkaar te koppelen.
Een quantumcomputer rekent met qubits: deeltjes die meer kunnen dan de nullen en enen van een gewone computer. Een veelbelovende soort quantumcomputer gebruikt losse atomen als qubits. Laserlicht houdt ze netjes op hun plek, in een soort rooster. Zulke machines hebben al duizenden atomen.
Voor de grote problemen waar quantumcomputers ooit bij moeten helpen, zoals het ontwerpen van nieuwe materialen en medicijnen, zijn er waarschijnlijk miljoenen qubits nodig. Die passen niet in één apparaat. Daarom willen onderzoekers veel quantumcomputers met elkaar verbinden, via licht. Daarvoor moet je het licht van elk atoom goed kunnen opvangen. En dat is lastig: een atoom geeft maar weinig licht af, en het straalt alle kanten op, zoals een lampje zonder kap.
Een spiegelkamertje voor elk atoom
Het team van natuurkundige Jon Simon van Stanford University werkt aan een oplossing: een eigen optische trilholte voor elk atoom. Dat is een klein kamertje tussen spiegels, waarin licht heen en weer kaatst. Zo'n trilholte stuurt het licht van het atoom één kant op, zodat je het bijna allemaal kunt opvangen. Het werkt een beetje als de reflector achter een fietslamp.
Begin dit jaar liet het team in het vakblad Nature zien dat het idee werkt: een rooster van 40 trilholtes, met in elke holte één atoom. Nu beschrijven de onderzoekers in het vakblad Physical Review X de volgende versie: een rooster van ruim 600 trilholtes, dicht naast elkaar. Lenzen in de holtes zelf bundelen het licht zo strak dat elke bundel op het smalste punt ongeveer zo breed is als één lichtgolf, minder dan een duizendste millimeter. Nature zette het werk op 19 oktober in de schijnwerpers.
Honderden kamertjes die precies gelijk lopen
Zo'n rooster werkt alleen goed als alle kamertjes zich hetzelfde gedragen, net als de snaren van een goed gestemde piano. Volgens de onderzoekers lukt dat bij honderden trilholtes tegelijk, met een gelijkmatig hoge kwaliteit. Ze brachten ook alle kleine onvolkomenheden in kaart: foutjes in de lenzen, de randen van het beeld, kleine verschillen tussen de kamertjes en lichtverlies in de onderdelen. Daarbij lieten ze zien aan welke knoppen je moet draaien om het geheel stabiel te houden.
Volgens het team kan het ontwerp groeien tot tienduizenden trilholtes, en past het bij de atoomroosters die nu al in quantumcomputers worden gebruikt.
Wat het kan opleveren
Met zo'n rooster kun je alle atomen tegelijk uitlezen, in plaats van één voor één. De onderzoekers noemen drie toepassingen. Ten eerste quantumverbindingen tussen machines op verschillende plekken, zoals onderzoekers in Oxford onlangs tussen atomen op twee plekken lieten zien. Ten tweede het snel controleren van qubits midden in een berekening, zonder ze kapot te maken. En ten derde nieuwe natuurkunde-experimenten waarin atomen en licht samen één systeem vormen.
De volgende stap is het rooster verder op te schalen en te koppelen aan grote atoomroosters. Stanford ziet een toekomst voor zich met quantumdatacenters, waarin elke quantumcomputer zo'n rooster als netwerkaansluiting heeft.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Quantumcomputers zijn een van de grote beloftes voor de komende decennia: rekenkracht voor problemen waar zelfs de snelste supercomputers op stuklopen, zoals het precies doorrekenen van moleculen. De grootste horde is opschalen van duizenden naar miljoenen qubits. Dit rooster pakt een belangrijk stuk van die puzzel aan: hoe je al die atomen tegelijk kunt laten 'praten' met de buitenwereld.
Daar ligt ook een mooie wisselwerking met AI. Grote AI-modellen kunnen straks helpen om zulke ingewikkelde optische ontwerpen door te rekenen en af te stellen, en quantumcomputers kunnen op hun beurt AI helpen bij taken die nu nog te zwaar zijn, zoals het ontwerpen van materialen voor zuinigere chips. Zo kunnen de twee technieken elkaar vooruit helpen. Met honderden lichtvangers die nu in de pas lopen, is een netwerk van quantumcomputers weer een stap dichterbij.
