Een nieuwe manier van kwantumrekenen

Natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam hebben een nieuwe architectuur voor een schaalbare quantumcomputer voorgesteld. Door gebruik te maken van de collectieve beweging van de onderliggende deeltjes zijn ze in staat om nieuwe bouwstenen voor quantumcomputers te construeren die minder technische problemen opleveren dan huidige state-of-the-art-methoden.

De resultaten zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.

Het werk combineert twee belangrijke ingrediënten. Een daarvan is een zogeheten trapped ion platform, een van de meest veelbelovende kandidaten voor de kwantumcomputer, die gebruik maakt van ionen. Het tweede ingrediënt is het gebruik van slimme methodes om de ionen te manipuleren, met behulp van optische pincetten en oscillerende elektrische velden.

Zoals de naam al doet vermoeden gebruikt een trapped-ion-kwantumcomputer een kristal van gevangen ionen. Die ionen kunnen individueel bewegen, maar belangrijker: ook als geheel. De collectieve ion-bewegingen die mogelijk zijn blijken de interacties tussen specifieke paren van ionen te vergemakkelijken. In het voorstel wordt dit idee concreet gemaakt door een uniform elektrisch veld over het gehele kristal aan te brengen., om zo de interacties tussen twee gekozen ionen in het kristal over te brengen. De twee ionen worden geselecteerd door pincet-potentialen toe te passen. De homogeniteit van het elektrische veld zorgt ervoor dat de twee ionen alleen samen met alle andere ionen in het kristal kunnen bewegen. Als gevolg daarvan is er een vaste interactiesterkte tussen de twee gekozen ionen, onafhankelijk van hoe ver ze zich van elkaar bevinden.

Een kwantumcomputer bestaat uit ‘poorten', kleine computationele bouwstenen die het kwantum-equivalent uitvoeren van operaties als ‘en' en ‘of' die we van gewone computers kennen. In trapped-ion-kwantumcomputers werken deze poorten op de ionen, en hangt hun werking af van de interacties tussen die deeltjes. In de voorgestelde constructie betekent het feit dat die interacties niet afhangen van de afstand, dat ook de werkingsduur van een poort niet van die afstand afhangt. De consequentie is dat deze manier van kwantumrekenen inherent schaalbaar is, en vergeleken met andere moderne kwantumrekentechnieken minder technische uitdagingen oplevert bij het bouwen van vergelijkbaar goed werkende kwantumcomputers.