Kvantecomputing ett skritt nærmere virkelige anvendelser

Mens markedet for kvantecomputing forventes å nå 65 milliarder dollar i 2030, er det fortsatt mange hindre før det kommer i virkelige anvendelser. Det må si at kvantecomputing har potensialet til å løse mange av våre mest komplekse problemer. Forskningsgrupper ved universiteter og private institusjoner over hele verden arbeider hardt for å gjøre dette til virkelighet.

En av disse gruppene ledet av Xu Yi, assisterende professor i elektroteknikk og datateknikk ved University of Virginia School of Engineering and Applied Science.

Hans team har skapt en nisje i fysikken og anvendelsene av fotondispositiver, som brukes til å detektere og forme lys for anvendelser som kommunikasjon og databehandling. Teamet har utviklet en skalerbar kvantecomputingplattform som drastisk reduserer antallet enheter som kreves for å oppnå kvanteskjell, og det kunne finne sted på en fotondisse størrelse med en penny.

Teamet inkluderte også Olivier Pfister, professor i kvantoptikk og kvanteinformasjon ved UVA, og Hansuek Lee, assisterende professor ved det koreanske avanserte vitenskaps- og teknologiske instituttet.

Forskningen ble publisert i Nature Communications.

Det ble også støttet av Zijiao Yang, Ph.D-student i fysikk, og Mandana Jahanbozorgi, en Ph.D.-student i elektroteknikk og datateknikk. De to er medforfattere av artikkelen.

Kvantecomputing og informasjonsbehandling

Kvantecomputing åpner opp en ny måte å behandle informasjon på, og det muliggjør at din skrivebord- eller bærbare datamaskin kan behandle informasjon i lange strenger av bits. En bit holder enten en null- eller en verdi, og kvantecomputere behandler informasjon parallelt, hvilket betyr at de ikke trenger å vente på at en sekvens av informasjon er behandlet før de går videre til mer. En qubit er den grunnleggende byggesteinen for kvantecomputing, og det er en enhet for informasjon som kan være en og null samtidig. En kvantemodus, på den andre siden, omfatter hele spekteret av variabler mellom en og null.

Forskere arbeider nå med ulike tilnærminger for å effektivt produsere store mengder qumodes som trengs for å oppnå kvanteskjell.

Den nye fotondisbaserte tilnærmingen utviklet av Yi er spesielt nyttig siden et felt av lys også er fullt spekter. Dette betyr at hver lysbølge i spekteret har potensialet til å bli en kvantenhet. Yi antok at lyset ville oppnå en kvantetilstand hvis lysfeltene var sammenflettede.

Opprettelse av systemet

Yis team skapte en kvanteskilde i en optisk mikroresonator, som er en ringformet, millimeter-stor struktur som omslutter fotoner før de genererer en mikroskop, et apparat som konverterer fotoner fra enkelt til flere bølgelengder. Lys sirkulerer rundt ringen og bygger opp optisk kraft, som deretter øker sjansen for at fotoner kan samspille. Dette produserer kvantesammenfletting mellom lysfelt i mikrokommen.

Yis team brukte multiplexing for å verifisere genereringen av 40 qumodes fra en enkelt mikroresonator på en chip, og de demonstrerte at multiplexing av kvantemodus kan fungere i integrerte fotondisplattformer.

“Vi anslår at når vi optimaliserer systemet, kan vi generere tusenvis av qumodes fra en enkelt enhet,” sa Yi.

Gjennom Yis multiplexingteknikk er vi nærmere å bruke kvantecomputing under virkelige forhold, der det er uunngåelige feil. Disse feilene skyldes kvantetilstander og deres skjøre natur.

Antallet feil kan kreve over en million qubitter for å kompensere for dem, og det er en proporsjonal økning i antallet enheter. Multiplexing reduserer dette antallet enheter med to eller tre størrelsesordener.

Det er to flere fordeler med Yis fotondisbaserte system. Først, fordi fotonen ikke har noen masse, kan kvantecomputere med fotondisintegrerte chipper kjøre eller sove ved romtemperatur. Lee fabrikkerte også mikroresonatoren på en silisiumchip ved hjelp av standard litografitjenester. Dette betyr at resonatoren eller kvanteskilden kunne masseproduseres.

“Vi er stolte av å skyve grensene for ingeniørarbeid i kvantecomputing og akselerere overgangen fra bulkoptikk til integrert fotondis,” sa Yi. “Vi vil fortsette å utforske måter å integrere enheter og kretser i en fotondisbasert kvantecomputingplattform og optimalisere dens ytelse.”