Квантовые вычисления на шаг ближе к реальным приложениям

Хотя рынок квантовых вычислений, как ожидается, достигнет 65 миллиардов долларов к 2030 году, еще много препятствий нужно преодолеть, прежде чем он войдет в реальное применение. Однако квантовые вычисления имеют потенциал решить многие из наших самых сложных проблем. Исследовательские команды в университетах и частных учреждениях по всему миру работают над тем, чтобы сделать это реальностью.

Одна из этих команд возглавляется Xu Yi, помощником профессора электротехники и компьютерных наук в Университете Вирджинии Школы инженерии и прикладных наук.

Его команда создала нишу в физике и применении фотонных устройств, которые используются для обнаружения и формирования света для таких приложений, как связь и вычисления. Команда разработала масштабируемую платформу квантовых вычислений, которая значительно снижает количество устройств, необходимых для достижения квантовой скорости, и она смогла разместиться на фотонной пластине размером с пенни.

В команду также входили Olivier Pfister, профессор квантовой оптики и квантовой информации в UVA, и Hansuek Lee, помощник профессора в Корейском институте передовых технологий.

Исследование было опубликовано в Nature Communications.

Исследование также было поддержано Zijiao Yang, аспирантом физического факультета, и Mandana Jahanbozorgi, аспирантом электротехники и компьютерных наук. Два являются соавторами статьи.

Квантовые вычисления и обработка информации

Квантовые вычисления открывают новый способ обработки информации, и они позволяют вашему настольному или ноутбук-компьютеру обрабатывать информацию в длинных строках битов. Бит может иметь значение 0 или 1, и квантовые компьютеры обрабатывают информацию параллельно, то есть они не должны ждать, пока одна последовательность информации будет обработана, прежде чем перейти к другой. Кубит является основной единицей квантовых вычислений, и это единица информации, которая может быть одновременно 0 и 1. Квантовый режим, с другой стороны, охватывает весь спектр переменных между 0 и 1.

Исследователи сейчас работают над различными подходами для эффективного производства большого количества квантовых мод, необходимых для достижения квантовых скоростей.

Новый фотонный подход, разработанный Yi, особенно полезен, поскольку поле света также является полным спектром. Это означает, что каждая световая волна в спектре имеет потенциал стать квантовой единицей. Yi предположил, что свет достигнет квантового состояния, если поля света будут запутаны.

Создание системы

Команда Yi создала квантовый источник в оптическом микрорезонаторе, который представляет собой кольцеобразную, миллиметровую структуру, окружающую фотоны перед генерацией микроскопа, устройства, которое преобразует фотоны из одной длины волны в несколько. Свет циркулирует вокруг кольца и наращивает оптическую мощность, что увеличивает шансы взаимодействия фотонов. Это, в свою очередь, производит квантовую запутанность между полями света в микрокомбе.

Команда Yi использовала мультиплексирование для проверки генерации 40 квантовых мод из одного микрорезонатора на пластине, и они продемонстрировали, что мультиплексирование квантовых мод может работать в интегрированных фотонных платформах.

“Мы оцениваем, что когда мы оптимизируем систему, мы сможем сгенерировать тысячи квантовых мод из одного устройства”, – сказал Yi.

Благодаря технике мультиплексирования Yi мы приближаемся к использованию квантовых вычислений в реальных условиях, где неизбежны ошибки. Эти ошибки обусловлены квантовыми состояниями и их хрупкой природой.

Количество ошибок может потребовать более одного миллиона кубитов для компенсации, и существует пропорциональное увеличение количества устройств. Мультиплексирование снижает это количество устройств на два или три порядка.

Есть два дополнительных преимущества фотонной системы Yi. Во-первых, поскольку фотон не имеет массы, квантовые компьютеры с фотонными интегрированными чипами могут работать или спать при комнатной температуре. Lee также изготовил микрорезонатор на кремниевой пластине с использованием стандартных литографических методов. Это означает, что резонатор или квантовый источник мог бы быть массово произведен.

“Мы гордимся тем, что продвигаем границы инженерии в квантовых вычислениях и ускоряем переход от объемной оптики к интегрированной фотонике”, – сказал Yi. “Мы продолжим исследовать способы интеграции устройств и схем в фотонной квантовой вычислительной платформе и оптимизации ее производительности.”