Fotonilajittelija voi edistää optista kvanttilaskentaa

Sveitsin Baselin yliopiston tutkijat esittelivät elokuussa 2024 laitteen, joka erottaa yksittäisfotonit monifotonisista tiloista. Menetelmä auttaa hallitsemaan valon ja aineen vuorovaikutusta ja voi tukea fotonisten kvanttilogiikkaporttien kehittämistä. Se ei vielä ole valmis kvanttitietokone.

Fotonilajittelijan tutkimus

Tutkijat käyttivät kvanttipistettä eli pientä puolijohderakennetta kvanttiemittoijana optisessa ontelossa. Kokonaisuus käyttäytyy valon kannalta niin sanottuna yksiulotteisena atomina. Kvanttipiste ei ole yksiulotteinen atomi tai fotoni kirjaimellisessa merkityksessä. Tätä kuvaa tutkimus laitteesta, joka ohjaa yksifotonisia ja monifotonisia tiloja eri ulostuloihin niiden vuorovaikutuksen perusteella. Kyse ei ole toisiinsa fyysisesti kiinnittyneiden fotonien mekaanisesta seulonnasta.

Muunnelmia Jaynes-Cummings-malliin

Vuonna 1963 esitetty Jaynes–Cummings-malli kuvaa kaksitasoisen kvanttijärjestelmän ja kvantittuneen sähkömagneettisen kentän vuorovaikutusta. Se on keskeinen malli kvanttioptiikassa ja auttaa tulkitsemaan myös onteloon kytketyn emittoijan käyttäytymistä.
Kokeen haasteita olivat suuri kytkentätehokkuus haluttuun optiseen tilaan ja vähäinen vaihekoherenssin menetys. β-kerroin kuvaa kytkennän osuutta. Tuloksia verrattiin teoriaan, joka laajensi yksimuotoista Jaynes–Cummings-mallia.

Koelaitteen testaaminen

Laitteessa noin 20 nanometrin levyinen puolijohdekvanttipiste oli sijoitettu optisen ontelon toiseen heijastavaan peiliin. Ontelon säädettävyys mahdollisti valon ja emittoijan kytkennän optimoinnin.

Laser

Heikko lasersäteily tuli onteloon vastakkaisen, osittain läpäisevän peilin kautta. Ulos tulevan valon polarisaatiota käsiteltiin optisilla komponenteilla ja polarisaatioherkällä säteenjakajalla. Peilien välimatkan säätö viritti onteloa; se ei käynnistänyt laseria.
Yksittäisen fotonin ja usean fotonin vuorovaikutus kvanttipisteen kanssa muutti ulostulon polarisaatiota eri tavoin. Säteenjakaja ohjasi tämän perusteella yksifotonisia ja monifotonisia tiloja eri portteihin. Menetelmä ei tarkoita jokaisen fotonin suoraa laskemista kvanttipisteessä.

Tulokset

Tutkijat osoittivat yksifotonisten ja monifotonisten tilojen erottelun ja raportoivat heikon valon läpäisyssä 99,2 %:n vaimennuksen resonanssissa. Vaimennus ei ole sama asia kuin lajittelun yleinen onnistumisprosentti. Monifotonisen ulostulon toisen kertaluvun korrelaatiofunktion arvo oli noin 587.
Tulokset antavat tietoa fotonien ryhmittymisestä ja emittoijan epälineaarisesta vasteesta. Ne voivat auttaa kehittämään kvanttioptisia komponentteja, mutta eivät osoita valmista skaalautuvaa tietokonetta.

Mahdollinen käyttötapaus

Yksi mahdollinen sovellus on fotoninen kvanttilogiikkaportti, jossa fotonien tilat vaikuttavat niiden yhteiseen käyttäytymiseen. Luotettavan, skaalautuvan kvanttitietokoneen rakentaminen vaatii tämän lisäksi esimerkiksi tilojen valmistelua, mittaamista ja virheiden hallintaa.

Fotonilajittelijan mahdollisuudet

Koe parantaa mahdollisuuksia tutkia valon ja aineen vuorovaikutusta heikolla valolla. Yksifotonitason mittauksia on kuitenkin tehty aiemminkin; kyse ei ole ensimmäisestä mahdollisuudesta tutkia yksittäisiä fotoneja.

Fotonitilastojen hallinta

Laite mahdollistaa fotonitilastojen, kuten ryhmittymisen ja antiryhmittymisen, tutkimisen ja muokkaamisen. Se ei ole energiantuotantolaite eikä osoita uutta tapaa muuntaa valoa tehokkaammin sähköksi.

Tutkijat

Tutkimuksen tekivät Natasha Tomm ja kollegat Richard Warburtonin ryhmässä Baselin yliopistossa yhteistyökumppaneineen. Tulokset julkaistiin Physical Review Letters -lehdessä elokuussa 2024.

Kvanttilaskentaan ja tietoturvaan liittyviä yrityksiä

Seuraavat yritykset toimivat kvanttilaskennan tai kvanttiuhkiin varautumisen alueilla. Niiden mainitseminen ei tarkoita, että ne käyttäisivät tätä fotonilajittelijaa tai että tutkimus kasvattaisi niiden sijoitustuottoja.

1. Honeywell

HON Hintakaavio

Honeywell on monialainen teollisuusyritys, jonka toimialoihin kuuluvat ilmailu ja rakennusteknologia. Sen kvanttilaskentaan liittyvä toiminta kytkeytyy Quantinuumiin, jonka ioniloukkuteknologia eroaa tässä kuvatusta fotonisesta kokeesta.

AlliedSignal ja Honeywell yhdistyivät vuonna 1999. Marraskuussa 2005 Honeywell osti UOP:n jäljellä olevan 50 %:n osuuden noin 825 miljoonalla dollarilla ja sai yhtiön kokonaan omistukseensa. Konserni toimii muun muassa ilmailujärjestelmien, automaation ja erikoismateriaalien aloilla.

Honeywellin vuoden 2023 liikevaihto oli noin 36,662 miljardia dollaria. Summa koskee koko konsernia, ei kvanttitietokoneliiketoimintaa. Konsernin koko tai sijoitus yrityslistalla ei yksin muodosta perustetta osto- tai pidä-suositukselle.

2. Arqit Quantum ARQQ

Arqit Quantum (ARQQ ) on kyberturvallisuusyritys, joka kehittää kvanttiuhkia vastaan suunnattua salaus- ja avaintensopimisohjelmistoa. Suuret virheenkorjatut kvanttitietokoneet voivat uhata joitakin nykyisiä julkisen avaimen menetelmiä, mutta kaikki salaus ei muutu automaattisesti turvattomaksi.

Arqitin QuantumCloud-nimi viittasi avainten muodostukseen ja sopimiseen liittyvään palveluun, ei tavalliseen tiedostojen pilvitallennukseen. Palvelun turvallisuus riippuu sen arkkitehtuurista, algoritmeista ja toteutuksesta; pelkkä tuotenimi ei takaa suojaa.

Arqitin liiketoiminta pyrkii vastaamaan kvanttikestävän salauksen kysyntään. Yhtiön osakkeeseen liittyy liiketoiminta- ja markkinariskejä, eikä kasvava kyberturvallisuuden tarve takaa arvonnousua.

Sparkle ilmoitti elokuussa 2024 toteuttaneensa Network-as-a-Service-konseptikokeen, jossa yhdistettiin Arqitin salaus, Intelin laitteisto ja Adtranin orkestrointiohjelmisto. Kyse oli rajatusta konseptikokeesta, ei todistuksesta kaikkien mahdollisten kvanttihyökkäysten estämisestä.

Arqit on kertonut saamistaan kyberturvallisuus- ja innovaatiopalkinnoista. Palkinnot eivät tarkoita, että yritys olisi rakentanut kvanttitietokoneen tai kaupallistanut tässä käsitellyn fotonilajittelijan.

Tulevaisuus on kvantti

Laskenta ja tietoturva ovat tärkeitä infrastruktuurille ja kansalliselle turvallisuudelle. Kvanttiteknologian kehitys edellyttää sekä mahdollisten hyötyjen että turvallisuusvaikutusten arviointia.

Fotonilajittelijan merkitys optiselle kvanttilaskennalle

Fotonilajittelija on tutkimusaskel kohti kvanttioptisia komponentteja. Se ei osoita, että yleiskäyttöiset kvanttitietokoneet olisivat pian kaikkien saatavilla tai että ne korvaisivat tavalliset tietokoneet kaikissa tehtävissä.

Tutustu muihin laskenta-aiheisiin: projektit