Fotonen filteren voor betere kwantumcomputers

(Afbeelding: UTwente)

Wereldwijd wordt miljarden geïnvesteerd in de ontwikkeling van kwantumcomputers. Binnen dat veld geldt fotonische kwantumtechnologie als een veelbelovende route naar schaalbare systemen. Fotonen zijn intrinsiek stabiel, kunnen met hoge snelheid door optische chips worden geleid en zijn relatief ongevoelig voor omgevingsruis. Tegelijkertijd brengt de technologie een belangrijke uitdaging met zich mee: voor één betrouwbaar rekenelement zijn doorgaans grote aantallen fotonen nodig om fouten te compenseren.

“Je bouwt in feite een zeer geavanceerde machine, maar onder de motorkap gaat een groot deel van de gegenereerde fotonen verloren door foutcorrectie,” zegt Somhorst. “De vraag was of dat efficiënter kan.”

Imperfecte fotonen als bron van fouten
Voor veel kwantumalgoritmen is het essentieel dat fotonen onderling volledig identiek zijn. In de praktijk blijken kleine afwijkingen echter onvermijdelijk. Fotonen die in het laboratorium identiek lijken, kunnen subtiele verschillen vertonen in aankomsttijd, frequentie of fase. Deze variaties maken de fotonen gedeeltelijk onderscheidbaar, wat de interferentieprocessen verstoort waarop fotonische kwantumcomputatie is gebaseerd.

Om dit probleem te adresseren richtte Somhorst zich op de kwaliteit van de fotonen zelf. Hij ontwikkelde een methode om de fotontoestand te verbeteren voordat deze in het kwantumcircuit wordt gebruikt.

Optisch circuit voor ‘opgeschoonde’ fotonen
De voorgestelde methode maakt gebruik van een optisch circuit dat meerdere imperfecte fotonen combineert en daaruit een toestand met hogere kwaliteit selecteert. Dit proces fungeert in feite als een vorm van fotonische filtering: meerdere invoerfotonen worden gebruikt om één foton met betere interferentie-eigenschappen te verkrijgen.

Door de kwaliteit van de invoerfotonen te verhogen, neemt de behoefte aan foutcorrectie verderop in het systeem sterk af. Volgens de theoretische modellen van Somhorst resulteert dit in een reductie van het totale aantal benodigde fotonen met een factor vier.

“Dat is een conservatieve ondergrens,” stelt hij. “In de berekeningen hebben we bewust voorzichtig geschat. Naarmate dergelijke technieken op grotere schaal worden toegepast, kan de winst mogelijk verder toenemen.”

Van theoretisch concept naar hardwaretest
Het onderzoek bleef niet beperkt tot theoretische modellering. Tijdens zijn promotie werkte Somhorst samen met het Twentse bedrijf QuiX Quantum om de methode te testen op een geïntegreerde fotonische processor. De Universiteit Twente heeft inmiddels een patent aangevraagd op de technologie.

Daarnaast leidde het onderzoek tot internationale samenwerking. Somhorst initieerde onder meer een samenwerking met NASA en bezocht het NASA Ames Research Center om de methode te bespreken met onderzoekers daar.

Stap richting schaalbare systemen
Fotonische kwantumcomputers bevinden zich nog in een relatief vroeg stadium van ontwikkeling. Verbeteringen in de efficiëntie van fotongebruik kunnen echter een belangrijke rol spelen bij verdere opschaling.

Een lagere fotonbehoefte betekent minder hardware, minder foutcorrectie en een lagere systeemcomplexiteit. Dat kan de ontwikkeling van grotere, praktisch inzetbare fotonische kwantumcomputers versnellen.

Volgens Somhorst gaat het daarom niet om een marginale optimalisatie, maar om een structurele verbetering van het systeemontwerp. “Als je het aantal benodigde fotonen drastisch kunt verminderen, verandert dat direct hoe een fotonische kwantumcomputer wordt opgebouwd.”