Kvanttilaskenta yhden askeleen lähempänä käytännön sovelluksia

Kvanttilaskennan markkinan odotetaan kasvavan 65 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä, mutta ennen kuin se pääsee käytännön sovelluksiin, on vielä monia esteitä. Kvanttilaskennalla on kuitenkin potentiaalia ratkaista monia meidän monimutkaisimmista ongelmistamme. Tutkimusryhmät yliopistoissa ja yksityisissä instituuteissa ympäri maailmaa työskentelevät ahkerasti saadakseen tämän toteutetuksi.

Yksi näistä ryhmistä johtaa Xu Yi, sähkö- ja tietokonetekniikan apulaisprofessori Virginian yliopiston insinööritieteellisessä ja soveltavassa tieteen tiedekunnassa.

Hänen ryhmänsä on luonut niukkuuden fysiikkaan ja sovelluksiin valofonisten laitteiden parissa, joita käytetään valon havaitsemiseen ja muokkaamiseen sovelluksissa kuten viestinnässä ja laskennassa. Ryhmä on kehittänyt skaalautuvan kvanttilaskennan alustan, joka vähentää merkittävästi laitteiden määrää, jotta voidaan saavuttaa kvantinopeus, ja se voidaan toteuttaa fotoni-piirillä, jonka koko on yhden sentin pieni.

Ryhmään kuului myös Olivier Pfister, kvantti-optiikan ja kvanttitiedon professori UVA:ssa, ja Hansuek Lee, apulaisprofessori Korean Advanced Institute of Science and Technology -instituutissa.

Tutkimus julkaistiin Nature Communications-julkaisussa.

Tutkimukseen osallistuivat myös Zijiao Yang, fysiikan tohtorikoulutettava, ja Mandana Jahanbozorgi, sähkö- ja tietokonetekniikan tohtorikoulutettava. He ovat tutkimuksen ensisijaiset tekijät.

Kvanttilaskenta ja tietojen prosessointi

Kvanttilaskenta avaa uuden tavan prosessoida tietoja, ja se mahdollistaa pöytä- tai kannettavalla tietokoneella prosessoida tietoja pitkinä bittijonoina. Bitti voi olla joko nolla tai yksi, ja kvanttitietokoneet prosessoida tietoja rinnakkain, mikä tarkoittaa, että ne eivät tarvitse odottaa yhden tiedonjonojen käsittelyä ennen siirtymistä seuraavaan. Kvanttibitti on kvanttilaskennan perusrakennuspalikka, ja se on tietoyksikkö, joka voi olla sekä nolla että yksi samaan aikaan. Kvanttitila, toisaalta, kattaa koko muuttujien spektrin nollan ja ykkösen välillä.

Tutkijat työskentelevät parhaillaan eri lähestymistavoilla tuottamaan tehokkaasti suuria määriä kvanttilaskennan edellyttämiä kvanttiyksiköitä.

Yin kehittämä uusi valofoninen lähestymistapa on erityisen hyödyllinen, koska valon kenttä on myös täysin spektrin laajuinen. Tämä tarkoittaa, että jokainen valoaalto spektrissä voi muuttua kvanttiyksiköksi. Yi oletti, että valo saavuttaisi kvanttitilan, jos valon kentät olisivat sidottuja.

Järjestelmän luominen

Yin ryhmä loi kvanttilähteen optiseen mikroresonaattoriin, joka on rengasmainen, millimetrien kokoinen rakenne, joka käärii fotonit ennen kuin ne tuottavat mikroskoopin, laitteen, joka muuttaa fotonit yhdestä useaan aallonpituuteen. Valo kiertää rengasta ja kasvattaa optista voimakkuutta, mikä edelleen lisää fotonien vuorovaikutusmahdollisuuksia. Tämä tuottaa kvantti-sidonnaisuuden valon kenttien välillä mikrokomissa.

Yin ryhmä käytti monikanavaista teknologiaa vahvistamaan 40 kvanttiyksikön tuottamista yhdestä mikroresonaattorista piirillä, ja he osoittivat, että kvanttiyksiköiden monikanavointi voi toimia integroiduissa valofonisen alustoissa.

“Arviomme mukaan, kun optimoimme järjestelmän, voimme tuottaa tuhansia kvanttiyksiköitä yhdestä laitteesta”, Yi sanoi.

Yin monikanavointitekniikkaa käyttämällä olemme lähempänä kvanttilaskennan käyttämistä käytännön olosuhteissa, joissa on väistämättömiä virheitä. Nämä virheet johtuvat kvanttitilojen ja niiden hauraan luonteen vuoksi.

Virheiden määrä voi vaatia yli miljoonan kvantibitin korjaamiseen, ja laitteiden määrä kasvaa suhteessa. Monikanavointi vähentää laitteiden määrää kaksi- tai kolmeportaisesti.

Yin valofonisen järjestelmän on kaksi muuta etua. Ensinnäkin, koska fotonilla ei ole massaa, kvanttitietokoneet valofonisen integroiduilla piireillä voivat toimia tai olla lepotilassa huoneenlämmössä. Lee valmisti myös mikroresonaattorin piisirulle standardien litografia-tekniikoiden avulla. Tämä tarkoittaa, että resonaattori tai kvanttilähdin voidaan valmistaa suuressa määrin.

“Olemme ylpeitä siitä, että työskentelemme kvanttilaskennan insinööritieteellisen kehityksen eturintamassa ja kiihdytämme siirtymistä massatiivistä optiikasta integroiduun valofoniikkaan”, Yi sanoi. “Jatkamme tutkimusta keinoista integroida laitteita ja piirejä valofoniseen kvanttilaskennan alustaan ja optimoida sen suorituskykyä.”