Fotonsorterare öppnar dörren för helt optiska kvantdatorer

En forskargrupp vid universitetet i Basel i Schweiz presenterade denna vecka en ny metod för att skilja enskilda fotoner från grupper. Metoden ger bättre kontroll över växelverkan på molekylnivå. Många forskare ser separationen av enskilda fotoner från flerfotonstrukturer som ett viktigt steg mot att använda tekniken i superdatorer och andra tillämpningar. Här är det du behöver veta.

Studie av en fotonsorterare

Forskarna ville visa hur en fotonsorterare kan utföra uppgiften tillförlitligt och effektivt. Systemet innehåller en kvantemitter som möjliggör en endimensionell atom, en så kallad kvantpunkt. Studien undersöker hur mekanismen leder fotoner i olika riktningar beroende på om de är ensamma eller sammanlänkade med andra fotoner. För detta ändrade gruppen Jaynes–Cummings-modellen.

Variationer av Jaynes-Cummings-modellen

Jaynes–Cummings-modellen har präglat kvantoptiken i över sextio år. Edwin Jaynes och Frank Cummings presenterade den 1963, och den har sedan dess varit central för området. Den förenklade förståelsen av växelverkan mellan ljus och materia, bland annat hur en tvånivåatom interagerar med ett kvantiserat elektromagnetiskt fält. Därför var den lämplig som grund för nya formler.
Forskarna behövde dock hantera vissa begränsningar. Modellen gjorde det svårt att bestämma maximal kopplingseffektivitet, β-faktorn, och låg avfasning. De skapade därför en variant med kvantpunkter för att få ytterligare möjligheter.

Test av sorteringsteorin

Först skapades en kvantpunkt i en halvledare. Denna enskiktsfoton representerade en endimensionell atom och placerades i en mikrokavitet. Kaviteten hade reflekterande innerväggar och var öppen för justering, så att forskarna kunde ställa in β och andra faktorer.

Laser

En svag laser användes tillsammans med en 20 nanometer bred halvledarö för att belysa mikrokavitetens reflekterande väggar. Lasern fokuserades på de delvis genomskinliga väggarna innan systemet aktiverades genom justering av avståndet mellan två speglar. Det brutna ljuset leddes till en stråldelare med halvvågsplattor vinklade för att separera fotonerna. Stråldelaren var också polarisationskänslig, vilket förbättrade sorteringen.
Enskilda fotoner leddes automatiskt till en annan port än flerfotongrupper. Systemet mätte dessutom hur många fotoner som interagerade med kvantpunkten för att bestämma energins verkliga tillstånd. Kvantpunkter passar uppgiften eftersom de absorberar fotoner och avger ljus beroende på växelverkan.

Resultat

Forskarna fann att sorteraren korrekt skilde enskilda fotoner från grupper. De uppnådde också en utsläckning på 99,2 % i transmission med en svag laser. De nya uppgifterna gav dessutom intressanta resultat om korrelationsfunktioner av andra ordningen.
Sorteraren gör det möjligt att noggrant separera och mäta antalet passerande fotoner. Det öppnar nya möjligheter: att bekräfta fotonklumpning, sortera efter tillstånd och följa excitationsnivåer är viktiga steg mot nästa generations datorer och andra tillämpningar.

Potentiella användningsområden

Tekniken har många möjliga användningar. Huvudfokus är att skapa nya fotoniska logikgrindar. Kvantlogik är central i dagens mycket snabba kvantdatorer, men helt optiska fotoniska kvantlogikgrindar har varit svåra att skapa eftersom tekniken inte varit tillräckligt tillförlitlig. Studien öppnar för fortsatt utveckling.

Fördelar med fotonsorteraren

Studien visar flera fördelar. Tekniken hjälper forskare att förstå ljus och dess växelverkan på enskild fotonnivå. Så detaljerad övervakning var tidigare inte tillgänglig. Många tror därför att genombrottet hjälper mänskligheten att bättre utnyttja ljusets kraft och hastighet.

Kontroll över fotonstatistiken

En annan fördel är att en tillförlitlig metod för att sortera ända ned till enskilda fotoner har utvecklats för första gången. Den kan möjliggöra enheter som bestämmer tillstånd från stark klumpning till antiklumpning, för exempelvis energiomvandling på enskild fotonnivå och högre effektivitet.

Forskare

Projektet leddes av Richard Warburton vid universitetet i Basel. Gruppen demonstrerade sin fotonsorteringsmetod och vill nu utvidga forskningen. Arbetet bygger på årtionden av kvantstudier och bidrar till nästa steg inom området.

Två företag som kan dra nytta av studien

Flera stora teknikföretag kan använda resultaten för att förbättra produkter och tjänster. De dominerar redan den exklusiva kvantdatormarknaden och skulle kunna få ännu större framtida avkastning genom upptäckten.

1. Honeywell

HON Prisdiagram

Honeywell är en pionjär inom kvantdatorer. Företaget verkar i flera branscher och har funnits sedan 1906. Det har bas i North Carolina, erbjuder flyg- och byggnadsteknik och är en välkänd börsaktie.

Honeywell blev särskilt känt efter sammanslagningen med AlliedSignal 1999. Därefter följde förvärvet av Universal Oil Products för 1,2 miljarder dollar 2002. Företaget är fortfarande en dominerande kraft och erbjuder bland annat miljöstyrning, elkraftsystem, motortillbehör, säkerhets- och produktivitetslösningar samt automations- och styrnätverk.

Honeywell får en tydlig behållbedömning av flera skäl. Företaget ligger på plats 115 på Fortune 500 och utsågs förra året till ett av världens mest beundrade företag av Fortune. Det har över 95 000 kvalificerade anställda och redovisade 36,66 miljarder dollar i omsättning 2023, vilket gör det till en av de största intäktsaktörerna med verksamhet inom kvantdatorer. Den kommande resultatrapporten kan öka efterfrågan på aktien.

2. Arqit Quantum ARQQ

Arqit Quantum (ARQQ ) är ett brittiskt cybersäkerhetsföretag som skyddar mot kvantdatorattacker. Dessa kraftfulla datorer väntas en dag dominera datorlandskapet. Kapaciteten passar nästa generations beräkningar men utgör också ett stort hot mot dagens cybersäkerhet.

David John Williams, David James Bestwick och Geoffrey Taylor grundade Arqit Quantum för att möta efterfrågan på mycket säkra, kvantresistenta system. Företaget erbjuder plattform som tjänst (PaaS) och lagringsalternativet QuantumCloud. Båda skyddar användarna mot hot från kvantdatorbaserade intrång.

Arqit Quantum tappade i värde under augusti, liksom stora delar av tekniksektorn. Företaget har dock tillväxtpotential, inte minst mot bakgrund av ökande cyberkrigshot. Dess kvantsäkra plattform för symmetrisk nyckelöverenskommelse ger skydd på företagsnivå.

Arqit Quantum ingick nyligen ett strategiskt samarbete med Sparkle för ett koncepttest av nätverk som tjänst. Det kan visa systemens effektivitet mot kvantbaserade intrång. Analytiker förutser viss tillväxt medan företaget fortsätter att uppmärksammas för sin forskning.

Bara förra året fick Arqit Quantum utmärkelserna Innovation in Cyber och Cyber Security Software Company of the Year, samt erkännande vid Institution of Engineering and Technology Awards 2023 för sin banbrytande kvantforskning.

Framtiden är kvantbaserad

Beräkningskraft har blivit central för nationell säkerhet och mycket annat. När fler städer blir smarta får systemen en allt viktigare roll i vardagen. Därför anser de flesta att kvanttekniken behöver utvecklas och skyddas på ett sätt som inte orsakar skada.

Fotonsorterare öppnar för optiska kvantdatorer

Världen rör sig vidare mot kvantdatorernas tidsålder. Enheterna är mindre och mer tillgängliga än tidigare. I framtiden väntas de bli kommersiellt tillgängliga för alla och öppna nya möjligheter på många marknader. Fotonsorteraren är ett viktigt steg från binära beräkningar till kvantalternativ.

Läs om andra spännande datorprojekt här