Quantum Computing O krok bližšie k aplikáciám v reálnom svete

Aj keď sa predpokladá, že trh s kvantovou výpočtovou technikou dosiahne do roku 65 2030 miliárd dolárov, stále existuje veľa prekážok, kým vstúpi do reálnej implementácie. Vďaka tomu má kvantová výpočtová technika potenciál vyriešiť mnohé z našich najzložitejších problémov. Výskumné tímy na univerzitách a súkromných inštitúciách po celom svete tvrdo pracujú, aby sa to stalo realitou.

Jeden z týchto tímov vedie Xu Yi, odborný asistent elektrotechniky a počítačového inžinierstva na University of Virginia School of Engineering and Applied Science. 

Jeho tím vytvoril medzeru vo fyzike a aplikáciách fotonických zariadení, ktoré sa používajú na detekciu a tvarovanie svetla pre aplikácie, ako je komunikácia a výpočtová technika. Tím vyvinul škálovateľnú kvantovú výpočtovú platformu, ktorá drasticky znižuje počet zariadení potrebných na dosiahnutie kvantovej rýchlosti, a to sa podarilo uskutočniť na fotonickom čipe veľkosti penny.

Súčasťou tímu boli aj Olivier Pfister, profesor kvantovej optiky a kvantových informácií na UVA, a Hansuek Lee, odborný asistent na Kórejskom pokročilom inštitúte vedy a technológie.

Výskum bol publikovaný v roku XNUMX Nature Communications.

Podporili ho aj Zijiao Yang, doktorand fyziky, a Mandana Jahanbozorgi, PhD. študent elektrotechniky a počítačovej techniky. Títo dvaja sú spolu prvými autormi článku. 

Kvantové výpočty a informácie o spracovaní

Kvantová výpočtová technika otvára nový spôsob spracovania informácií a umožňuje vášmu stolnému alebo prenosnému počítaču spracovávať informácie v dlhých reťazcoch bitov. Bit má buď nulu alebo jednu hodnotu a kvantové počítače spracovávajú informácie paralelne, čo znamená, že nemusia čakať na spracovanie jednej sekvencie informácií, kým prejdú na ďalšie. Qubit je základným stavebným kameňom kvantových počítačov a je to jednotka informácie, ktorá môže byť jedna a nula súčasne. Na druhej strane kvantový režim pokrýva celé spektrum premenných medzi jednou a nulou.

Výskumníci teraz pracujú na rôznych prístupoch k efektívnej výrobe veľkého počtu qumodes potrebných na dosiahnutie kvantových rýchlostí.

Nový prístup založený na fotonike vyvinutý Yi je obzvlášť užitočný, pretože pole svetla je tiež plné spektrum. To znamená, že každá svetelná vlna v spektre má potenciál stať sa kvantovou jednotkou. Yi predpokladal, že svetlo dosiahne kvantový stav, ak budú svetelné polia zapletené.

Vytvorenie systému

Yiho tím vytvoril kvantový zdroj v optickom mikrorezonátore, čo je prstencová štruktúra s milimetrovou veľkosťou, ktorá obalí fotóny pred vygenerovaním mikroskopu, zariadenia, ktoré konvertuje fotóny z jednej na viacero vlnových dĺžok. Svetlo cirkuluje okolo prstenca a vytvára optickú silu, ktorá potom zvyšuje šance fotónov na interakciu. To zase vytvára kvantové zapletenie medzi poľami svetla v mikrohrebene. 

Yiov tím použil multiplexovanie na overenie generovania 40 qumodov z jedného mikrorezonátora na čipe a preukázali, že multiplexovanie kvantových režimov môže fungovať v integrovaných fotonických platformách. 

"Odhadujeme, že keď optimalizujeme systém, môžeme generovať tisíce qumodes z jedného zariadenia," povedal Yi.

Prostredníctvom Yiho techniky multiplexovania sa približujeme k využívaniu kvantových výpočtov v podmienkach reálneho sveta, kde sú chyby, ktorým sa nedá vyhnúť. Tieto chyby sú spôsobené kvantovými stavmi a ich krehkou povahou.

Počet chýb by mohol vyžadovať viac ako jeden milión qubitov na ich kompenzáciu a počet zariadení sa úmerne zvyšuje. Multiplexovanie znižuje tento počet zariadení o dva alebo tri rády. 

Yiho systém založený na fotonike má ešte dve výhody. Po prvé, pretože fotón nemá žiadnu hmotnosť, kvantové počítače s fotonickými integrovanými čipmi môžu bežať alebo spať pri izbovej teplote. Lee tiež vyrobil mikrorezonátor na silikónovom čipe pomocou štandardných litografických techník. To znamená, že rezonátor alebo kvantový zdroj by sa mohol vyrábať sériovo. 

"Sme hrdí na to, že posúvame hranice inžinierstva v kvantovej výpočtovej technike a urýchľujeme prechod od hromadnej optiky k integrovanej fotonike," povedal Yi. "Budeme pokračovať v skúmaní spôsobov integrácie zariadení a obvodov do kvantovej výpočtovej platformy založenej na fotonike a optimalizácie jej výkonu."