Nieuwe doorbraak in het programmeren van optische circuits: licht computergebruik met haardunne vezels

Onlangs hebben wetenschappers van de Heriot-Watt Universiteit (VK) een krachtige nieuwe methode ontdekt voor het programmeren van optische circuits.
Deze methode kan een cruciale rol spelen bij het realiseren van toekomstige technologieën zoals onbreekbare communicatienetwerken en ultrasnelle kwantumcomputers. Het onderzoek is nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.
Mehul Malik, een experimenteel natuurkundige en hoogleraar natuurkunde aan de School of Engineering and Physical Sciences van de Heriot-Watt Universiteit in het Verenigd Koninkrijk, legt uit: ‘Licht kan een enorme hoeveelheid informatie bevatten, en optische circuits, die met licht berekenen in plaats van met elektriciteit, worden gezien als de volgende grote sprong in de computertechnologie."
"Maar naarmate optische circuits groter en complexer worden, worden ze steeds moeilijker te controleren en te fabriceren - wat hun prestaties kan beïnvloeden. Ons onderzoek demonstreert een andere, meer algemene benadering van het ontwerpen van optische circuits, waarbij gebruik wordt gemaakt van natuurlijk voorkomende processen."
Professor Mehul Malik en zijn team voerden hun onderzoek uit met behulp van commerciële optische vezels. Dit type vezel wordt over de hele wereld veel gebruikt om internet naar individuele huizen en bedrijven te verzenden. Het is dunner dan de breedte van een mensenhaar en gebruikt licht om gegevens te verzenden.
Door gebruik te maken van het natuurlijke verstrooiingsgedrag van licht in optische vezels, ontdekten ze dat de optische circuits in de vezels op een zeer nauwkeurige manier konden worden geprogrammeerd.
"Wanneer licht een optische vezel binnenkomt, verstrooit het zich en vermengt het zich op complexe manieren. Door dit complexe proces te begrijpen en het licht dat de vezel binnenkomt nauwkeurig vorm te geven, hebben we een manier gevonden om te midden van deze chaos lichtcircuits te creëren."
Optische circuits zijn van cruciaal belang voor de toekomst van kwantumtechnologieën, die op microscopisch niveau worden ontworpen door te werken met individuele atomen of fotonen (lichtdeeltjes). Deze technologieën omvatten krachtige kwantumcomputers met enorme verwerkingskracht en kwantumcommunicatienetwerken die niet kunnen worden gehackt.
Prof. Mehul Malik legt uit: "Optische circuits zijn bijvoorbeeld nodig aan het einde van kwantumcommunicatienetwerken, zodat informatie kan worden gemeten na lange afstanden. Ze zijn ook een belangrijk onderdeel van kwantumcomputers voor het uitvoeren van complexe berekeningen op lichtdeeltjes."
Kwantumcomputers beloven aanzienlijke vooruitgang op gebieden als de ontwikkeling van geneesmiddelen, klimaatvoorspelling en ruimteverkenning. Machine learning – kunstmatige intelligentie – is een ander gebied waar optische circuits worden gebruikt om grote hoeveelheden gegevens snel te verwerken.
Prof. Mehul Malik wijst erop dat de kracht van licht ligt in zijn multidimensionaliteit: “We kunnen veel informatie over een enkel lichtdeeltje coderen. De ruimtelijke structuur, de temporele structuur, de kleur ervan. Als je al deze eigenschappen op Tegelijkertijd kun je een enorme verwerkingskracht ontketenen."
De onderzoekers lieten ook zien hoe hun programmeerbare optische circuits kunnen worden gebruikt om kwantumverstrengeling te manipuleren. Dit is een fenomeen waarbij twee of meer kwantumdeeltjes, zoals fotonen, met elkaar verbonden blijven, zelfs als ze ver uit elkaar staan. Verstrengeling speelt een belangrijke rol in veel kwantumtechnologieën, zoals foutcorrectie binnen kwantumcomputers en het implementeren van de meest veilige vormen van kwantumversleuteling.
Prof. Mehul Malik en zijn onderzoeksgroep aan het Beyond Binary Quantum Information Laboratory van de Heriot-Watt Universiteit voerden het onderzoek uit met samenwerkende wetenschappers van instellingen zoals de Lund Universiteit in Zweden, de Sapienza Universiteit van Rome in Italië en de Universiteit Twente in Nederland.
Het onderzoek werd gefinancierd door QuantERA, een toonaangevend Europees netwerk van 39 publieke onderzoeksfinancieringsorganisaties (rfo) uit 31 landen, waaronder het Oostenrijkse Research Promotion Agency (FFG) - het nationale financieringsagentschap van Oostenrijk voor industrieel onderzoek en ontwikkeling; en de European Research Council (ERC) – de financieringsorganisatie van de EU voor baanbrekend onderzoek.