Skammtafræði einu skrefi nær raunverulegum forritum

Þó að spáð sé að skammtatölvumarkaðurinn nái 65 milljörðum Bandaríkjadala árið 2030, þá eru enn margar hindranir áður en hann fer í raunveruleikann. Að þessu sögðu hefur skammtafræði möguleika á að leysa mörg af okkar flóknustu vandamálum. Rannsóknarteymi háskóla og sjálfseignarstofnana um allan heim vinna hörðum höndum að því að gera þetta að veruleika.

Eitt af þessum teymum er undir forystu Xu Yi, lektors í rafmagns- og tölvuverkfræði við verkfræði- og hagnýtra vísindi háskólans í Virginíu. 

Lið hans hefur skapað sess í eðlisfræði og notkun ljóseindatækja, sem eru notuð til að greina og móta ljós fyrir forrit eins og fjarskipti og tölvumál. Teymið hefur þróað stigstærðan skammtatölvuna sem dregur verulega úr fjölda tækja sem þarf til að ná skammtahraða, og það gat farið fram á ljóseindaflís á stærð við eyri.

Í hópnum voru einnig Olivier Pfister, prófessor í skammtaljósfræði og skammtaupplýsingum við UVA, og Hansuek Lee, lektor við kóresku háþróaða vísinda- og tæknistofnunina.

Rannsóknin var birt árið Nature Communications.

Hún var einnig studd af Zijiao Yang, doktorsnema í eðlisfræði, og Mandana Jahanbozorgi, doktorsgráðu. nemandi í rafmagns- og tölvuverkfræði. Þeir tveir eru meðfyrstu höfundar blaðsins. 

Skammtatölvur og vinnsla upplýsinga

Skammtatölvun opnar nýja leið til að vinna úr upplýsingum og hún gerir borðtölvunni þinni eða fartölvu kleift að vinna úr upplýsingum í löngum bitum. Biti heldur annað hvort núlli eða einu gildi og skammtatölvur vinna úr upplýsingum samhliða, sem þýðir að þær þurfa ekki að bíða eftir einni röð upplýsinga til vinnslu áður en þær fara í fleiri. Qubit er grundvallarbyggingarþáttur skammtafræðinnar og það er eining upplýsinga sem getur verið ein og núll á sama tíma. Skammtahamur spannar aftur á móti allt litróf breyta á milli einnar og núlls.

Vísindamenn vinna nú að mismunandi aðferðum til að framleiða á skilvirkan hátt mikinn fjölda qumodes sem þarf til að ná skammtahraða.

Hin nýja ljóseindatækni sem Yi hefur þróað er sérstaklega gagnleg þar sem ljóssvið er einnig með fullt litróf. Þetta þýðir að hver ljósbylgja í litrófinu hefur möguleika á að verða skammtafræðieining. Yi setti fram þá tilgátu að ljósið myndi ná skammtafræðilegu ástandi ef ljóssviðin væru flækt.

Að búa til kerfið

Teymi Yi bjó til skammtauppsprettu í optískri örómun, sem er hringlaga, millimetra stór uppbygging sem umlykur ljóseindin áður en hún myndar smásjá, tæki sem breytir ljóseindum úr einni bylgjulengd í margar bylgjulengdir. Ljósið streymir um hringinn og byggir upp ljósafl, sem eykur síðan möguleika ljóseinda til að hafa samskipti. Þetta framleiðir aftur skammtaflækju milli ljóssviða í örkambunni. 

Teymi Yi notaði margföldun til að sannreyna myndun 40 qumodes úr einni örresonator á flís, og þeir sýndu fram á að margföldun skammtahama getur virkað í samþættum ljóseindakerfum. 

„Við áætlum að þegar við fínstillum kerfið getum við búið til þúsundir qumodes úr einu tæki,“ sagði Yi.

Með margföldunartækni Yi komumst við nær því að nota skammtatölvun í gegnum raunverulegar aðstæður, þar sem óumflýjanlegar villur eru. Þessar villur eru vegna skammtaástands og viðkvæms eðlis þeirra.

Fjöldi villna gæti þurft yfir eina milljón qubita til að bæta fyrir þær og það er hlutfallsleg aukning á fjölda tækja. Margföldun dregur úr þessum fjölda tækja um tvær eða þrjár stærðargráður. 

Það eru tveir kostir í viðbót við ljóseindakerfi Yi. Í fyrsta lagi, vegna þess að ljóseindin hefur engan massa, geta skammtatölvur með ljóseindvirkum flögum keyrt eða sofið við stofuhita. Lee framleiddi einnig örómann á kísilflögu með því að nota staðlaða steinþrykkjatækni. Þetta þýðir að resonator eða skammtauppspretta gæti verið fjöldaframleidd. 

„Við erum stolt af því að ýta á landamæri verkfræðinnar í skammtafræði og flýta fyrir umskiptum frá magnsjónfræði yfir í samþætt ljóseindafræði,“ sagði Yi. „Við munum halda áfram að kanna leiðir til að samþætta tæki og hringrásir í skammtatölvuvettvangi sem byggir á ljóseindafræði og hámarka frammistöðu hans.