Calcularea cuantică un pas mai aproape de aplicațiile din lumea reală

În timp ce piața calculării cuantice este prognozată să ajungă la 65 de miliarde de dolari până în 2030, există încă multe obstacole înainte de a intra în implementarea din lumea reală. Cu toate acestea, calcularea cuantică are potențialul de a rezolva multe dintre cele mai complexe probleme ale noastre. Echipele de cercetare de la universități și instituții private din întreaga lume lucrează din greu pentru a face acest lucru realitate.

Una dintre aceste echipe este condusă de Xu Yi, asistent profesor de inginerie electrică și informatică la Școala de Inginerie și Științe Aplicate a Universității din Virginia.

Echipa sa a creat un loc deosebit în fizica și aplicațiile dispozitivelor fotice, care sunt utilizate pentru a detecta și modela lumina pentru aplicații precum comunicațiile și calcularea. Echipa a dezvoltat o platformă de calcul cuantică scalabilă care reduce drastic numărul de dispozitive necesare pentru a atinge viteza cuantică, și a fost capabilă să se desfășoare pe un cip fotonic de mărimea unei monede.

Echipa a inclus, de asemenea, Olivier Pfister, profesor de optică cuantică și informații cuantice la UVA, și Hansuek Lee, asistent profesor la Institutul Avansat de Știință și Tehnologie din Coreea.

Cercetarea a fost publicată în Nature Communications.

A fost, de asemenea, susținută de Zijiao Yang, student doctorand în fizică, și Mandana Jahanbozorgi, student doctorand în inginerie electrică și informatică. Cei doi sunt co-autorii primari ai articolului.

Calcularea cuantică și prelucrarea informației

Calcularea cuantică deschide o nouă cale de prelucrare a informației, și permite calculatorului dvs. de birou sau laptop să prelucreze informații în șiruri lungi de biți. Un bit conține fie o valoare zero, fie o valoare unu, și calculatoarele cuantice prelucrează informații în paralel, ceea ce înseamnă că nu sunt obligate să aștepte ca o secvență de informații să fie prelucrată înainte de a trece la alta. Un qubit este blocul de bază al calculării cuantice, și este o unitate de informație care poate fi atât zero, cât și unu în același timp. Un mod cuantic, pe de altă parte, acoperă întregul spectru de variabile între zero și unu.

Cercetătorii lucrează acum la diferite abordări pentru a produce eficient numărul mare de qumode necesare pentru a atinge vitezele cuantice.

Abordarea nouă bazată pe fotonice dezvoltată de Yi este deosebit de utilă, deoarece un câmp de lumină este, de asemenea, spectru complet. Acest lucru înseamnă că fiecare undă de lumină din spectru are potențialul de a deveni o unitate cuantică. Yi a ipotetizat că lumina va atinge o stare cuantică dacă câmpurile de lumină sunt încâlcite.

Crearea sistemului

Echipa lui Yi a creat o sursă cuantică într-un microrezonator optic, care este o structură inelară, de dimensiuni milimetrice, care înconjoară fotonii înainte de a genera un microscop, un dispozitiv care convertește fotonii de la o singură lungime de undă la multiple lungimi de undă. Lumina circulă în jurul inelului și acumulează putere optică, ceea ce crește șansele ca fotonii să interacționeze. Acest lucru produce încâlcire cuantică între câmpurile de lumină din microcomb.

Echipa lui Yi a utilizat multiplexarea pentru a verifica generarea a 40 de qumode dintr-un singur microrezonator pe un cip, și au demonstrat că multiplexarea modurilor cuantice poate funcționa pe platforme fotice integrate.

“Estimăm că, atunci când vom optimiza sistemul, putem genera mii de qumode dintr-un singur dispozitiv”, a spus Yi.

Prin tehnica de multiplexare a lui Yi, ne apropiem de utilizarea calculării cuantice în condiții din lumea reală, unde există erori inevitabile. Aceste erori sunt cauzate de stările cuantice și natura lor fragilă.

Numărul de erori ar putea necesita peste un milion de qubiți pentru a le compensa, și există o creștere proporțională a numărului de dispozitive. Multiplexarea reduce acest număr de dispozitive cu două sau trei ordine de mărime.

Există două avantaje suplimentare ale sistemului bazat pe fotonice al lui Yi. În primul rând, deoarece fotonul nu are masă, calculatoarele cuantice cu cipuri fotice integrate pot funcționa sau intra în repaus la temperatura camerei. Lee a fabricat, de asemenea, microrezonatorul pe un cip de siliciu utilizând tehnici standard de litografie. Acest lucru înseamnă că rezonatorul sau sursa cuantică ar putea fi produsă în masă.

“Suntem mândri să împingem frontierele ingineriei în calcularea cuantică și să accelerăm tranziția de la optica în masă la fotonica integrată”, a spus Yi. “Vom continua să explorăm modalități de a integra dispozitive și circuite într-o platformă de calcul cuantică bazată pe fotonice și de a optimiza performanța sa.”