Quantum Computing et skridt tættere på applikationer fra den virkelige verden

Mens kvantecomputermarkedet forventes at nå op på 65 milliarder dollars i 2030, er der stadig mange forhindringer, før det går ind i den virkelige verden. Når det er sagt, har kvanteberegning potentialet til at løse mange af vores mest komplekse problemer. Forskerhold på universiteter og private institutioner over hele verden arbejder hårdt på at gøre dette til en realitet.

Et af disse teams ledes af Xu Yi, assisterende professor i elektro- og computerteknik ved University of Virginia School of Engineering and Applied Science. 

Hans team har skabt en niche inden for fysik og applikationer af fotoniske enheder, som bruges til at detektere og forme lys til applikationer som kommunikation og computere. Holdet har udviklet en skalerbar kvantecomputerplatform, der drastisk reducerer antallet af enheder, der kræves for at opnå kvantehastighed, og det var i stand til at foregå på en fotonisk chip på størrelse med en krone.

Holdet inkluderede også Olivier Pfister, professor i kvanteoptik og kvanteinformation ved UVA, og Hansuek Lee, assisterende professor ved Korean Advanced Institute of Science and Technology.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Communications.

Den blev også støttet af Zijiao Yang, Ph.D.-studerende i fysik, og Mandana Jahanbozorgi, en Ph.D. studerende i el- og computeringeniør. De to er avisens medforfattere. 

Kvanteberegning og behandling af information

Quantum computing åbner op for en ny måde at behandle information på, og den gør det muligt for din stationære eller bærbare computer at behandle information i lange rækker af bits. En bit har enten en værdi på nul eller én, og kvantecomputere behandler information parallelt, hvilket betyder, at de ikke skal vente på, at én sekvens af informationer skal behandles, før de går videre til mere. En qubit er den grundlæggende byggesten i kvanteberegning, og det er en informationsenhed, der kan være én og nul på samme tid. En kvantetilstand spænder på den anden side over hele spektret af variabler mellem en og nul.

Forskere arbejder nu på forskellige tilgange til effektivt at producere et stort antal qumodes, der er nødvendige for at opnå kvantehastigheder.

Den nye fotonik-baserede tilgang udviklet af Yi er især nyttig, da et lysfelt også er fuldt spektrum. Det betyder, at hver lysbølge i spektret har potentialet til at blive en kvanteenhed. Yi antog, at lyset ville opnå en kvantetilstand, hvis lysfelterne blev viklet ind.

Oprettelse af systemet

Yi's team skabte en kvantekilde i en optisk mikroresonator, som er en ringformet, millimeterstørrelse struktur, der omslutter fotonerne, før de genererer et mikroskop, en enhed, der konverterer fotoner fra enkelte til flere bølgelængder. Lys cirkulerer rundt i ringen og opbygger optisk kraft, som derefter øger chancerne for, at fotoner interagerer. Dette frembringer igen kvantesammenfiltring mellem lysfelter i mikrokammen. 

Yi's team brugte multipleksing til at verificere genereringen af ​​40 qumodes fra en enkelt mikroresonator på en chip, og de demonstrerede, at multipleksing af kvantetilstande kan fungere i integrerede fotoniske platforme. 

"Vi vurderer, at når vi optimerer systemet, kan vi generere tusindvis af qumodes fra en enkelt enhed," sagde Yi.

Gennem Yi's multipleksingsteknik kommer vi tættere på at bruge kvanteberegning gennem virkelige forhold, 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 forholdsmæssig stigning i antallet af enheder. Multiplexing reducerer dette antal enheder med to eller tre størrelsesordener. 

Der er yderligere to fordele ved Yi's fotonik-baserede system. For det første, fordi fotonen ikke har nogen masse, kan kvantecomputere med fotoniske integrerede chips køre eller sove ved stuetemperatur. Lee fremstillede også mikroresonatoren på en siliciumchip ved hjælp af standard litografiteknikker. Dette betyder, at resonatoren eller kvantekilden kunne masseproduceres. 

"Vi er stolte af at skubbe grænserne for teknik inden for kvanteberegning og accelerere overgangen fra bulkoptik til integreret fotonik," sagde Yi. "Vi vil fortsætte med at udforske måder at integrere enheder og kredsløb i en fotonik-baseret kvantecomputerplatform og optimere dens ydeevne."