Quantencomputing einen Schritt näher an reale Anwendungen

Während der Quantencomputing-Markt bis 2030 voraussichtlich 65 Milliarden Dollar erreichen wird, gibt es noch viele Hürden, bevor er in die reale Umsetzung eintritt. Mit diesem Hinweis hat Quantencomputing das Potenzial, viele unserer komplexesten Probleme zu lösen. Forschungsteams an Universitäten und privaten Institutionen auf der ganzen Welt arbeiten hart daran, dies zu verwirklichen.

Eines dieser Teams wird von Xu Yi geleitet, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Informatik an der University of Virginia School of Engineering and Applied Science.

Sein Team hat sich auf die Physik und Anwendungen photonischer Geräte spezialisiert, die zur Erkennung und Formung von Licht für Anwendungen wie Kommunikation und Rechnen verwendet werden. Das Team hat eine skalierbare Quantencomputing-Plattform entwickelt, die die Anzahl der Geräte, die zur Erreichung von Quantengeschwindigkeit erforderlich sind, erheblich reduziert, und dies konnte auf einem photonischen Chip der Größe eines Pennys erfolgen.

Das Team umfasste auch Olivier Pfister, Professor für Quantenoptik und Quanteninformation an der UVA, und Hansuek Lee, Assistenzprofessor am Korean Advanced Institute of Science and Technology.

Die Forschung wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Es wurde auch von Zijiao Yang, Ph.D.-Student in Physik, und Mandana Jahanbozorgi, Ph.D.-Studentin in Elektrotechnik und Informatik, unterstützt. Die beiden sind die Co-Erstautoren des Papiers.

Quantencomputing und Informationsverarbeitung

Quantencomputing eröffnet eine neue Möglichkeit der Informationsverarbeitung und ermöglicht es Ihrem Desktop- oder Laptop-Computer, Informationen in langen Bit-Folgen zu verarbeiten. Ein Bit kann entweder den Wert 0 oder 1 haben, und Quantencomputer verarbeiten Informationen parallel, was bedeutet, dass sie nicht auf die Verarbeitung einer Informationsfolge warten müssen, bevor sie mit der nächsten fortfahren. Ein Qubit ist die grundlegende Einheit der Quantencomputing und kann gleichzeitig 0 und 1 sein. Ein Quantenmodus umfasst hingegen das gesamte Spektrum von Variablen zwischen 0 und 1.

Forscher arbeiten derzeit an verschiedenen Ansätzen, um große Mengen an Qumodes effizient zu produzieren, die zur Erreichung von Quantengeschwindigkeit erforderlich sind.

Der neue photonische Ansatz, den Yi entwickelt hat, ist besonders nützlich, da ein Lichtfeld auch ein Vollspektrum ist. Dies bedeutet, dass jede Lichtwelle im Spektrum das Potenzial hat, eine Quanteneinheit zu werden. Yi hat die Hypothese aufgestellt, dass das Licht einen Quantenzustand erreichen würde, wenn die Lichtfelder verflochten wären.

Erstellung des Systems

Yis Team hat eine Quantenquelle in einem optischen Mikroresonator erstellt, der eine ringförmige, millimetergroße Struktur ist, die die Photonen umhüllt, bevor er ein Mikroskop erzeugt, ein Gerät, das Photonen von einer einzigen Wellenlänge in mehrere Wellenlängen umwandelt. Das Licht zirkuliert um den Ring und baut optische Leistung auf, was die Chancen für Photoneninteraktionen erhöht. Dies wiederum produziert Quantenverschränkung zwischen Lichtfeldern im Mikroresonator.

Yis Team hat Multiplexing verwendet, um die Erzeugung von 40 Qumodes aus einem einzigen Mikroresonator auf einem Chip zu überprüfen, und sie haben demonstriert, dass Multiplexing von Quantenmodi in integrierten photonischen Plattformen funktionieren kann.

“Wir schätzen, dass wir, wenn wir das System optimieren, Tausende von Qumodes aus einem einzigen Gerät erzeugen können”, sagte Yi.

Durch Yis Multiplexing-Technik kommen wir näher an die Verwendung von Quantencomputing unter realen Bedingungen, bei denen unvermeidliche Fehler auftreten. Diese Fehler sind auf die Quantenzustände und ihre fragile Natur zurückzuführen.

Die Anzahl der Fehler könnte über eine Million Qubits erfordern, um sie zu kompensieren, und es gibt eine proportionale Zunahme der Anzahl der Geräte. Multiplexing reduziert diese Anzahl von Geräten um zwei oder drei Größenordnungen.

Es gibt zwei weitere Vorteile von Yis photonischem System. Erstens kann der Photonen-Chip aufgrund der Masse des Photons bei Raumtemperatur betrieben werden. Lee hat auch den Mikroresonator auf einem Silizium-Chip mit Standard-Lithographie-Techniken hergestellt. Dies bedeutet, dass der Resonator oder die Quantenquelle massenproduziert werden kann.

“Wir sind stolz darauf, die Grenzen der Ingenieurwissenschaften im Quantencomputing zu erweitern und den Übergang von Bulk-Optik zu integrierter Photonik zu beschleunigen”, sagte Yi. “Wir werden weiterhin Möglichkeiten erforschen, um Geräte und Schaltkreise in einer photonischen Quantencomputing-Plattform zu integrieren und ihre Leistung zu optimieren.”