Kvantové počítače jsou o krok blíž k aplikacím v reálném světě

Zatímco trh s kvantovými počítači by měl do roku 2030 dosáhnout 65 miliard dolarů, stále existuje mnoho překážek, než se dostanou do reálného použití. Kvantové počítače však mají potenciál řešit mnoho našich nejkomplexnějších problémů. Výzkumné týmy na univerzitách a soukromých institucích po celém světě pracují tvrdě na tom, aby se toto stalo realitou.

Jedním z těchto týmů je tým vedený Xu Yi, asistentem profesora elektrotechniky a počítačového inženýrství na University of Virginia School of Engineering and Applied Science.

Jeho tým vytvořil nikši v oblasti fyziky a aplikací fotonických zařízení, která se používají k detekci a tvarování světla pro aplikace, jako je komunikace a výpočetní technika. Tým vyvinul škálovatelnou platformu pro kvantové počítače, která dramaticky snižuje počet zařízení potřebných pro dosažení kvantové rychlosti, a podařilo se jim to umístit na fotonicový čip velikosti penny.

Tým také zahrnoval Oliviera Pfistera, profesora kvantové optiky a kvantové informace na UVA, a Hansueka Lee, asistenta profesora na Korejském pokročilém institutu vědy a technologie.

Výzkum byl zveřejněn v Nature Communications.

Byl také podporován Zijiao Yangem, studentem doktorského studia fyziky, a Mandanou Jahanbozorgi, studentkou doktorského studia elektrotechniky a počítačového inženýrství. Ti dva jsou spoluautory článku.

Kvantové počítače a zpracování informací

Kvantové počítače otevírají novou cestu zpracování informací a umožňují vašemu počítači zpracovávat informace v dlouhých řetězcích bitů. Bit může mít hodnotu 0 nebo 1 a kvantové počítače zpracovávají informace paralelně, což znamená, že nemusí čekat na dokončení jedné sekvence informací, než přechází k další. Kvantový bit je základní stavební kamen kvantového počítače a je jednotkou informace, která může být současně 0 a 1. Kvantový režim naopak pokrývá celý spektrum proměnných mezi 0 a 1.

Výzkumníci nyní pracují na různých přístupech, aby efektivně vyrobili velké množství kvantových bitů potřebných pro dosažení kvantové rychlosti.

Nový fotonicový přístup vyvinutý Yi je obzvláště užitečný, protože pole světla je také plné spektrum. To znamená, že každá světelná vlna v spektru má potenciál stát se kvantovou jednotkou. Yi předpokládal, že světlo dosáhne kvantového stavu, pokud budou pole světla propojena.

Vytvoření systému

Tým Yi vytvořil kvantový zdroj v optickém mikrorezonátoru, který je kruhovitá, milimetrová struktura, která obklopuje fotony před generováním mikroskopu, zařízení, které převádí fotony z jedné na více vlnových délek. Světlo obíhá kolem kruhu a vytváří optickou sílu, která poté zvyšuje šance na interakci fotonů. To vede k vytvoření kvantového propojení mezi poli světla v mikrorezonátoru.

Tým Yi použil multiplexing, aby ověřil generování 40 kvantových bitů z jednoho mikrorezonátoru na čipu, a prokázal, že multiplexing kvantových režimů může fungovat v integrovaných fotonicích platformách.

“Odhadujeme, že když systém optimalizujeme, budeme moci generovat tisíce kvantových bitů z jednoho zařízení,” řekl Yi.

Pomocí techniky multiplexingu se blížíme k použití kvantových počítačů v reálných podmínkách, kde jsou nevyhnutelné chyby. Tyto chyby jsou způsobeny kvantovými stavy a jejich křehkou povahou.

Počet chyb by mohl vyžadovat více než jeden milion kvantových bitů, aby je kompenzoval, a existuje úměrný nárůst počtu zařízení. Multiplexing snižuje toto číslo zařízení o dva nebo tři řády.

Existují dvě další výhody fotonicového systému Yi. První je, že foton nemá hmotnost, a proto kvantové počítače s fotonicními integrovanými čipy mohou běžet nebo spát při pokojové teplotě. Lee také vyrobil mikrorezonátor na křemíkovém čipu pomocí standardních litografických technik. To znamená, že rezonátor nebo kvantový zdroj by mohl být masově vyráběn.

“Jsme hrdí na to, že jsme posunuli hranice inženýrství v kvantovém počítačovém průmyslu a urychlili přechod z bulk optiky na integrovanou fotoniku,” řekl Yi. “Budeme pokračovat ve výzkumu způsobů integrace zařízení a obvodů v kvantovém počítačovém systému založeném na fotonice a optimalizovat jeho výkon.”