Kvantberäkning ett steg närmare tillämpningar i verkligheten

Medan marknaden för kvantberäkning förväntas nå 65 miljarder dollar år 2030, finns det fortfarande många hinder innan det kan användas i verkligheten. Men kvantberäkning har potentialen att lösa många av våra mest komplexa problem. Forskningsgrupper på universitet och privata institutioner runt om i världen arbetar hårt för att göra detta till verklighet.

En av dessa grupper leds av Xu Yi, biträdande professor i elektroteknik och datorteknik vid University of Virginia School of Engineering and Applied Science.

Hans team har skapat en nisch inom fysik och tillämpningar av fotoniska enheter, som används för att upptäcka och forma ljus för tillämpningar som kommunikation och beräkning. Teamet har utvecklat en skalbar plattform för kvantberäkning som drastiskt minskar antalet enheter som krävs för att uppnå kvantberäkning, och det kunde ske på en fotonisk chip stor som en penny.

Teamet inkluderade också Olivier Pfister, professor i kvantoptik och kvantinformation vid UVA, och Hansuek Lee, biträdande professor vid Korean Advanced Institute of Science and Technology.

Forskningen publicerades i Nature Communications.

Det stöddes också av Zijiao Yang, doktorand i fysik, och Mandana Jahanbozorgi, doktorand i elektroteknik och datorteknik. De två är medförfattare till artikeln.

Kvantberäkning och bearbetning av information

Kvantberäkning öppnar upp en ny väg för bearbetning av information, och det möjliggör för din dator att bearbeta information i långa strängar av bitar. En bit har antingen värdet 0 eller 1, och kvantdatorer bearbetar information parallellt, vilket innebär att de inte behöver vänta på att en sekvens av information har bearbetats innan de går vidare till mer. En qubit är den grundläggande byggstenen i kvantberäkning, och det är en enhet av information som kan vara både 0 och 1 samtidigt. En kvantmod sträcker sig över hela spektrumet av variabler mellan 0 och 1.

Forskare arbetar nu med olika tillvägagångssätt för att effektivt producera stora mängder qumodes som behövs för att uppnå kvantberäkning.

Det nya fotonikbaserade tillvägagångssättet som utvecklats av Yi är särskilt användbart eftersom ett fält av ljus också är fullt spektrum. Detta innebär att varje ljusvåg i spektrum har potentialen att bli en kvantenhet. Yi hypotesiserade att ljuset skulle uppnå en kvanttilstånd om fälten av ljus var sammanflätade.

Skapandet av systemet

Yis team skapade en kvantkälla i en optisk mikroresonator, som är en ringformad, millimeterstor struktur som omsluter fotonerna innan de genererar en mikroskop, en enhet som omvandlar fotoner från enstaka till flera våglängder. Ljus cirkulerar runt ringen och bygger upp optisk kraft, vilket sedan ökar chanserna för fotoner att interagera. Detta resulterar i kvantsammanflätning mellan fält av ljus i mikrokompen.

Yis team använde multiplexing för att verifiera genereringen av 40 qumodes från en enda mikroresonator på en chip, och de demonstrerade att multiplexing av kvantmoder kan fungera i integrerade fotoniska plattformar.

“Vi uppskattar att när vi optimerar systemet, kan vi generera tusentals qumodes från en enda enhet”, sa Yi.

Genom Yis multiplexingteknik är vi närmare att använda kvantberäkning i verkliga förhållanden, där det finns oundvikliga fel. Dessa fel beror på kvanttillstånd och deras ömtåliga natur.

Antalet fel kan kräva över en miljon qubit för att kompensera för dem, och det finns en proportionell ökning av antalet enheter. Multiplexing minskar antalet enheter med två eller tre storleksordningar.

Det finns två fler fördelar med Yis fotonikbaserade system. Först, eftersom fotonen har ingen massa, kan kvantdatorer med fotoniska integrerade chip köras eller sova vid rumstemperatur. Lee tillverkade också mikroresonatorn på en kiselchip med standardlitografitekniker. Detta innebär att resonatorn eller kvantkällan kunde massproduceras.

“Vi är stolta över att driva gränserna för ingenjörskonst inom kvantberäkning och accelerera övergången från bulkoptik till integrerad fotonik”, sa Yi. “Vi kommer att fortsätta att utforska sätt att integrera enheter och kretsar i en fotonikbaserad kvantberäkningsplattform och optimera dess prestanda.”