Kvanteberægning ét skridt nærmere virkelighedsanvendelser

Mens markedet for kvanteberægning forventes at nå 65 milliarder dollars i 2030, er der stadig mange hindringer, før det kan implementeres i virkeligheden. Det skal dog siges, at kvanteberægning har potentialet til at løse mange af vores mest komplekse problemer. Forskningshold på universiteter og private institutioner over hele verden arbejder hårdt på at gøre dette til virkelighed.

Et af disse hold ledes af Xu Yi, adjunkt i elektroteknik og datateknik på University of Virginia School of Engineering and Applied Science.

Hans hold har skabt en niche inden for fysik og anvendelser af fotondenheder, som bruges til at detektere og forme lys til formål som kommunikation og beregning. Holdet har udviklet en skalerbar kvanteberægningsplatform, der dramatisk reducerer antallet af enheder, der kræves for at opnå kvantehastighed, og det kunne placeres på en fotonic-chip på størrelse med en mønt.

Holdet inkluderede også Olivier Pfister, professor i kvantoptik og kvanteinformation på UVA, og Hansuek Lee, adjunkt på Korean Advanced Institute of Science and Technology.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Communications.

Det blev også støttet af Zijiao Yang, ph.d.-studerende i fysik, og Mandana Jahanbozorgi, en ph.d.-studerende i elektroteknik og datateknik. De to er medforfattere til artiklen.

Kvanteberægning og informationsbehandling

Kvanteberægning åbner op for en ny måde at behandle information på, og det giver din computer mulighed for at behandle information i lange strenge af bits. En bit kan have enten en værdi på 0 eller 1, og kvantecomputere behandler information i parallel, hvilket betyder, at de ikke behøver at vente på, at en sekvens af information er blevet behandlet, før de går videre til mere. En qubit er den grundlæggende byggesten i kvanteberægning, og det er en enhed for information, der kan være både 0 og 1 på samme tid. En kvantemode dækker hele spektret af variable mellem 0 og 1.

Forskere arbejder nu på at udvikle forskellige metoder til at producere store mængder af qumodes, der er nødvendige for at opnå kvantehastighed.

Den nye fotonic-baserede tilgang, som Yi har udviklet, er særlig nyttig, da et felt af lys også er fuldt spektrum. Dette betyder, at hver lysbølge i spektret har potentialet til at blive en kvantenhed. Yi formodede, at lyset ville opnå en kvantetilstand, hvis lysfelterne var sammenflettede.

Opbygning af systemet

Yis hold opbyggede en kvantekilde i en optisk mikroresonator, som er en ringformet, millimeter-størrelse struktur, der omgiver fotoner, før den genererer en mikroskop, en enhed, der konverterer fotoner fra enkelt til multiple bølgelængder. Lyset cirkulerer rundt om ringen og bygger op optisk kraft, hvilket øger chancerne for, at fotoner interagerer. Dette producerer kvantefletning mellem lysfelter i mikrokommen.

Yis hold brugte multiplexing til at verificere genereringen af 40 qumodes fra en enkelt mikroresonator på en chip, og de demonstrerede, at multiplexing af kvantemodier kan fungere i integrerede fotonic-platforme.

“Vi estimerer, at når vi optimerer systemet, kan vi generere tusinder af qumodes fra en enkelt enhed,” sagde Yi.

Gennem Yis multiplexing-teknik er vi tættere på at bruge kvanteberægning under virkelighedsbetingelser, hvor der er uundgåelige fejl. Disse fejl skyldes kvantetilstande og deres skrøbelige natur.

Antallet af fejl kan kræve over en million qubits for at kompensere for dem, og der er en proportionel øgning i antallet af enheder. Multiplexing reducerer antallet af enheder med to eller tre størrelsesordener.

Der er to andre fordele ved Yis fotonic-baserede system. Først kan kvantecomputere med fotonic-integrerede chip køre eller sove ved stuetemperatur, da fotonen ikke har nogen masse. Lee fabrikerede også mikroresonatoren på en silicium-chip ved hjælp af standard litografiteknikker. Dette betyder, at resonatoren eller kvantekilden kunne masseproduceres.

“Vi er stolte af at udvide grænserne for ingeniørarbejde inden for kvanteberægning og accelerere overgangen fra bulk-optik til integreret fotanik,” sagde Yi. “Vi vil fortsætte med at udforske måder at integrere enheder og kredsløb i en fotonic-baseret kvanteberægningsplatform og optimere dens ydeevne.”