Kwantumcomputing een stap dichter bij real-world toepassingen

Terwijl de markt voor kwantumcomputing naar verwachting 65 miljard dollar zal bereiken tegen 2030, zijn er nog veel hindernissen voordat het in de praktijk wordt toegepast. Desondanks heeft kwantumcomputing het potentieel om veel van onze meest complexe problemen op te lossen. Onderzoeksteams aan universiteiten en particuliere instellingen over de hele wereld werken hard om dit tot werkelijkheid te maken.

Een van deze teams wordt geleid door Xu Yi, assistent-professor in elektrotechniek en informatica aan de University of Virginia School of Engineering and Applied Science.

Zijn team heeft een niche gecreëerd in de fysica en toepassingen van fotonicadevice, die worden gebruikt om licht te detecteren en te vormen voor toepassingen zoals communicatie en computing. Het team heeft een schaalbare kwantumcomputingplatform ontwikkeld dat het aantal benodigde apparaten aanzienlijk vermindert om kwantumsnelheid te bereiken, en het kon plaatsvinden op een fotonicachip ter grootte van een penny.

Het team omvatte ook Olivier Pfister, professor in kwantumoptica en kwantuminformatie aan UVA, en Hansuek Lee, assistent-professor aan het Koreaanse Advanced Institute of Science and Technology.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature Communications.

Het werd ook ondersteund door Zijiao Yang, PhD-student in natuurkunde, en Mandana Jahanbozorgi, een PhD-student in elektrotechniek en informatica. De twee zijn de co-first auteurs van het artikel.

Kwantumcomputing en verwerking van informatie

Kwantumcomputing opent een nieuwe manier van informatie verwerken, en het maakt het mogelijk voor uw desktop- of laptopcomputer om informatie te verwerken in lange rijen van bits. Een bit heeft een waarde van nul of één, en kwantumcomputers verwerken informatie in parallel, wat betekent dat ze niet hoeven te wachten tot een sequentie van informatie is verwerkt voordat ze verder gaan. Een qubit is de fundamentele bouwsteen van kwantumcomputing, en het is een eenheid van informatie die tegelijkertijd nul en één kan zijn. Een kwantummodus daarentegen omvat het volledige spectrum van variabelen tussen nul en één.

Onderzoekers werken nu aan verschillende benaderingen om grote aantallen qumodes efficiënt te produceren om kwantumsnelheid te bereiken.

De nieuwe fotonicabasede benadering die door Yi is ontwikkeld, is vooral nuttig omdat een veld van licht ook een volledig spectrum is. Dit betekent dat elk lichtgolf in het spectrum het potentieel heeft om een kwantumeenheid te worden. Yi hypothekeerde dat het licht een kwantumtoestand zou bereiken als de lichtvelden verstrengeld waren.

Het creëren van het systeem

Yi’s team creëerde een kwantumbron in een optische microresonator, die een ringvormige, millimetergrote structuur is die de fotonen omhult voordat ze een microscoop genereren, een apparaat dat fotonen van enkele naar meerdere golflengtes omzet. Licht circuleert rond de ring en bouwt optische kracht op, wat de kans vergroot dat fotonen interactie hebben. Dit produceert kwantumverstrengeling tussen lichtvelden in de microcomb.

Yi’s team gebruikte multiplexing om de generatie van 40 qumodes van een enkele microresonator op een chip te verifiëren, en ze demonstreerden dat multiplexing van kwantummodi kan werken in geïntegreerde fotonicaplatforms.

“We schatten dat wanneer we het systeem optimaliseren, we duizenden qumodes van een enkel apparaat kunnen genereren”, zei Yi.

Door Yi’s multiplexingtechniek komen we dichter bij het gebruik van kwantumcomputing in real-world omstandigheden, waar onvermijdelijke fouten optreden. Deze fouten zijn te wijten aan kwantumtoestanden en hun kwetsbare aard.

Het aantal fouten kan meer dan een miljoen qubits vereisen om ze te compenseren, en er is een evenredige toename in het aantal apparaten. Multiplexing vermindert dit aantal apparaten met twee of drie ordes van grootte.

Er zijn twee meer voordelen aan Yi’s fotonicabasede systeem. Ten eerste, omdat een foton geen massa heeft, kunnen kwantumcomputers met fotonicageïntegreerde chips op kamertemperatuur werken of slapen. Lee fabriceerde ook de microresonator op een siliciumchip met behulp van standaard lithografietechnieken. Dit betekent dat de resonator of kwantumbron massaal geproduceerd kan worden.

“We zijn trots om de grenzen van de ingenieurskunst in kwantumcomputing te verleggen en de overgang van bulkoptica naar geïntegreerde fotonica te versnellen”, zei Yi. “We zullen blijven zoeken naar manieren om apparaten en circuits in een fotonicabasede kwantumcomputingplatform te integreren en de prestaties te optimaliseren.”