Forskere ved DTU og internationale partnere har påvist, at sammenfiltret lys kan reducere antallet af målinger, der er nødvendige for at lære et komplekst, støjende kvantesystems adfærd, med en enorm faktor.
"Dette er den første dokumenterede kvantefordel for et fotonisk system," siger korresponderende forfatter Ulrik Lund Andersen, professor ved DTU Fysik.
Med ordet kvantefordel menes den situation, hvor en kvanteteknologisk metode kan løse en opgave markant hurtigere eller mere effektivt end den bedste kendte ikke-kvantebaserede metode.
"At vide, at en sådan fordel er mulig med en enkel optisk opsætning, bør hjælpe andre med at finde områder, hvor denne tilgang vil betale sig, såsom sensorer og maskinlæring," siger Ulrik Lund Andersen.
Arbejdet er offentliggjort i Science under titlen 'Quantum learning advantage on a scalable photonic platform'. Det er udført i samarbejde med kolleger fra USA, Canada og Sydkorea.
Entanglement er nøglen
Kernen i studiet er et problem, der dukker op på tværs af videnskab og teknik: Når man ønsker at forstå eller karakterisere et fysisk system, såsom en enhed, foretager man gentagne målinger og udarbejder på baggrund af disse for eksempel et "fingeraftryk" af enhedens støj.
I kvanteenheder er det imidlertid ikke helt så ligetil. For det første er kvantestøj en del af målingerne. Desuden kan antallet af eksperimenter, der kræves for komplekse systemer, stige eksponentielt med systemets størrelse, så opgaven hurtigt bliver upraktisk eller endda helt umulig. Forskerne satte sig derfor for at finde en anden måde ved hjælp af sammenfiltret lys.
Sammenfiltring - eller entanglement - er et nøglebegreb i kvantemekanikken, hvor to partikler eller lysstråler er så stærkt forbundne, at måling af den ene øjeblikkeligt giver information om den anden.
"Vi udviklede en proces, som vi kunne kontrollere, og stillede et simpelt spørgsmål: Reducerer sammenfiltring antallet af målinger, der er nødvendige for at lære et sådant system at kende? Og svaret er ja, i høj grad. Vi lærte vores systems adfærd på 15 minutter, mens det med en sammenlignelig klassisk tilgang ville tage omkring 20 millioner år," siger Ulrik Lund Andersen.
Noget, intet klassisk system kan klare
Efter at have lagt det teoretiske grundlag i artiklen 'Entanglement-Enabled Advantage for Learning a Bosonic Random Displacement Channel' fra 2024 vidste forskerne, at sammenfiltret lys sandsynligvis ville løse problemet.
Eksperimentet blev opstillet i kælderen på DTU Fysik og kører på telekommunikationsbølgelængder med velkendte optiske komponenter. Det fungerer selv med almindelige tab i opsætningen. Det er vigtigt, siger forskerne, fordi det viser, at gevinsten kommer fra målemetoden og ikke fra et perfekt måleinstrument.
Mere detaljeret bestod systemet af en optisk kanal, hvor flere lysimpulser delte det samme støjmønster. To lysstråler blev forberedt – den præcise term er squeezed/presset – så de blev sammenfiltrede. Den ene stråle bruges til at undersøge systemet, den anden er der som reference. En fælles måling sammenligner dem på én gang, og den sammenligning fjerner meget af måleusikkerheden og trækker mere information ud pr. forsøg.
Jonas Schou Neergaard Nielsen, lektor ved DTU Fysik og medforfatter til artiklen, understreger, at forskerne endnu ikke har rettet sig mod et konkret system i den virkelige verden:
"Selvom mange taler om kvanteteknologi og hvordan den overgår klassiske computere, er faktum, at det ikke er tilfældet i dag. Så det, der tilfredsstiller os, er primært, at vi endelig har fundet et kvantemekanisk system, der kan gøre noget, som intet klassisk system nogensinde vil være i stand til."
