Kvantno računalništvo korak bližje aplikacijam v resničnem svetu

Medtem ko naj bi trg kvantnega računalništva do leta 65 dosegel 2030 milijard dolarjev, je še vedno veliko ovir, preden se začne izvajati v resničnem svetu. Glede na to ima kvantno računalništvo potencial za rešitev številnih naših najbolj zapletenih problemov. Raziskovalne skupine na univerzah in zasebnih ustanovah po vsem svetu si močno prizadevajo, da bi to uresničili.

Eno od teh ekip vodi Xu Yi, docent za elektrotehniko in računalništvo na Fakulteti za inženirstvo in uporabno znanost Univerze v Virginiji. 

Njegova ekipa je ustvarila nišo v fiziki in aplikacijah fotonskih naprav, ki se uporabljajo za zaznavanje in oblikovanje svetlobe za aplikacije, kot so komunikacije in računalništvo. Ekipa je razvila razširljivo kvantno računalniško platformo, ki drastično zmanjša število naprav, potrebnih za doseganje kvantne hitrosti, in je lahko potekala na fotonskem čipu velikosti penija.

Ekipa je vključevala tudi Olivierja Pfisterja, profesorja kvantne optike in kvantnih informacij na UVA, in Hansueka Leeja, docenta na Korejskem naprednem inštitutu za znanost in tehnologijo.

Raziskava je bila objavljena v Nature Communications.

Podprla sta ga tudi Zijiao Yang, doktorski študent fizike, in Mandana Jahanbozorgi, doktorat znanosti. študent elektrotehnike in računalništva. Oba sta prva soavtorja prispevka. 

Kvantno računalništvo in obdelava informacij

Kvantno računalništvo odpira nov način obdelave informacij in vašemu namiznemu ali prenosnemu računalniku omogoča obdelavo informacij v dolgih nizih bitov. Bit ima vrednost nič ali ena, kvantni računalniki pa informacije obdelujejo vzporedno, kar pomeni, da jim ni treba čakati na obdelavo enega zaporedja informacij, preden se premaknejo na več. Qubit je temeljni gradnik kvantnega računalništva in je enota informacije, ki je lahko ena in nič hkrati. Po drugi strani pa kvantni način obsega celoten spekter spremenljivk med ena in nič.

Raziskovalci zdaj delajo na različnih pristopih za učinkovito proizvodnjo velikega števila qumodov, potrebnih za doseganje kvantnih hitrosti.

Nov pristop, ki temelji na fotoniki, ki ga je razvil Yi, je še posebej uporaben, saj je tudi svetlobno polje polnega spektra. To pomeni, da lahko vsak svetlobni val v spektru postane kvantna enota. Yi je domneval, da bi svetloba dosegla kvantno stanje, če bi bila svetlobna polja zapletena.

Ustvarjanje sistema

Yijeva ekipa je ustvarila kvantni vir v optičnem mikroresonatorju, ki je obročasta struktura velikosti milimetra, ki obdaja fotone, preden ustvari mikroskop, napravo, ki pretvori fotone iz ene v več valovnih dolžin. Svetloba kroži po obroču in ustvarja optično moč, ki nato poveča možnosti za interakcijo fotonov. To posledično povzroči kvantno prepletenost med svetlobnimi polji v mikroglavniku. 

Yijeva ekipa je uporabila multipleksiranje, da bi preverila generiranje 40 qumodes iz enega samega mikroresonatorja na čipu in dokazala, da lahko multipleksiranje kvantnih načinov deluje v integriranih fotonskih platformah. 

"Ocenjujemo, da lahko, ko optimiziramo sistem, ustvarimo na tisoče qumodov iz ene same naprave," je dejal Yi.

Z Yijevo tehniko multipleksiranja se približujemo uporabi kvantnega računalništva v realnih razmerah, kjer so neizogibne napake. Te napake so posledica kvantnih stanj in njihove krhke narave.

Število napak bi lahko zahtevalo več kot milijon kubitov, da bi jih nadomestili, sorazmerno pa se povečuje tudi število naprav. Multipleksiranje zmanjša to število naprav za dva ali tri velikosti. 

Yijev sistem, ki temelji na fotoniki, ima še dve prednosti. Prvič, ker foton nima mase, lahko kvantni računalniki s fotonsko integriranimi čipi delujejo ali spijo pri sobni temperaturi. Lee je izdelal tudi mikroresonator na silicijevem čipu z uporabo standardnih litografskih tehnik. To pomeni, da je resonator ali kvantni vir lahko množično proizveden. 

"Ponosni smo, da premikamo meje inženiringa na področju kvantnega računalništva in pospešujemo prehod z množične optike na integrirano fotoniko," je dejal Yi. "Še naprej bomo raziskovali načine za integracijo naprav in vezij v kvantno računalniško platformo, ki temelji na fotoniki, in optimizirali njeno delovanje."