Komputery kwantowe jeden krok bliżej zastosowań w świecie rzeczywistym

Podczas gdy rynek komputerów kwantowych ma osiągnąć 65 miliardów dolarów do 2030 roku, nadal istnieją wiele przeszkód, zanim zostaną wprowadzone do świata rzeczywistego. Jednak komputery kwantowe mają potencjał rozwiązania wielu z naszych najbardziej złożonych problemów. Zespoły badawcze na uniwersytetach i w instytucjach prywatnych na całym świecie pracują ciężko, aby to się stało.

Jednym z tych zespołów kieruje Xu Yi, asystent profesora inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Wirginii, Szkoła Inżynierii i Nauk Stosowanych.

Jego zespół stworzył niszę w fizyce i zastosowaniach urządzeń fotonicznych, które są używane do wykrywania i kształtowania światła dla zastosowań takich jak komunikacja i komputery. Zespół opracował skalowalną platformę komputera kwantowego, która znacznie redukuje liczbę urządzeń wymaganych do osiągnięcia prędkości kwantowej, a wszystko to miało miejsce na czypie fotonicznym o rozmiarze centa.

W zespole byli również Olivier Pfister, profesor optyki kwantowej i informacji kwantowej na UVA, oraz Hansuek Lee, asystent profesora w Koreańskim Zaawansowanym Instytucie Nauki i Technologii.

Badania zostały opublikowane w Nature Communications.

Badania były również wspierane przez Zijiao Yang, studenta doktoranckiego fizyki, oraz Mandanę Jahanbozorgi, studentkę doktorancką inżynierii elektrycznej i komputerowej. Obie są współautorami pierwszych artykułów.

Obliczenia kwantowe i przetwarzanie informacji

Komputery kwantowe otwierają nowy sposób przetwarzania informacji, umożliwiając Twojemu komputerowi stacjonarnemu lub laptopowi przetwarzanie informacji w długich ciągach bitów. Bit może mieć wartość zero lub jeden, a komputery kwantowe przetwarzają informacje równolegle, co oznacza, że nie muszą czekać na zakończenie jednej sekwencji informacji, zanim przejdą do następnej. Qubit jest podstawową jednostką komputera kwantowego i jest to jednostka informacji, która może być jednocześnie zero i jeden. Tryb kwantowy z kolei obejmuje pełny zakres zmiennych między zero a jeden.

Naukowcy pracują obecnie nad różnymi podejściami do wydajnego wytwarzania dużych ilości qumodów niezbędnych do osiągnięcia prędkości kwantowych.

Nowe podejście oparte na fotonicach opracowane przez Yi jest szczególnie przydatne, ponieważ pole światła jest również pełnym spektrum. Oznacza to, że każda fala światła w spektrum ma potencjał, aby stać się jednostką kwantową. Yi założył, że światło osiągnie stan kwantowy, jeśli pola światła są splecione.

Tworzenie systemu

Zespół Yi stworzył źródło kwantowe w mikrorezonatorze optycznym, który jest strukturą pierścieniową o rozmiarze milimetra, która otacza fotony przed wygenerowaniem mikroskopu, urządzenia, które przekształca fotony z jednej długości fali na wiele długości fal. Światło krąży wokół pierścienia i zwiększa moc optyczną, co zwiększa szanse na interakcje pomiędzy fotonami. To z kolei powoduje splątanie kwantowe pomiędzy polami światła w mikrokomie.

Zespół Yi użył multipleksowania, aby potwierdzić wygenerowanie 40 qumodów z jednego mikrorezonatora na chipie, i udowodnili, że multipleksowanie trybów kwantowych może działać na zintegrowanych platformach fotonicznych.

“Szacujemy, że gdy zoptymalizujemy system, będziemy mogli wygenerować tysiące qumodów z jednego urządzenia”, powiedział Yi.

Dzięki technice multipleksowania Yi jesteśmy bliżej użycia komputerów kwantowych w warunkach świata rzeczywistego, gdzie występują nieuniknione błędy. Błędy te są spowodowane stanami kwantowymi i ich delikatną naturą.

Liczba błędów może wymagać ponad miliona qubitów, aby je skompensować, a jest to proporcjonalny wzrost liczby urządzeń. Multipleksowanie redukuje tę liczbę urządzeń o dwa lub trzy rzędy wielkości.

Istnieją dwie więcej zalety systemu opartego na fotonicach Yi. Po pierwsze, ponieważ foton nie ma masy, komputery kwantowe z zintegrowanymi chipami fotonicznymi mogą działać lub spać w temperaturze pokojowej. Lee również wytworzył mikrorezonator na chipie krzemowym przy użyciu standardowych technik litografii. Oznacza to, że rezonator lub źródło kwantowe mogło być produkowane masowo.

“Jesteśmy dumni, że posuwamy granice inżynierii w komputerach kwantowych i przyspieszamy przejście od optyki masowej do zintegrowanej fotonicznej”, powiedział Yi. “Będziemy kontynuować poszukiwania sposobów integracji urządzeń i obwodów w platformie komputera kwantowego opartej na fotonicach i optymalizacji jej wydajności.”