Квантові обчислення на крок ближче до реальних програм

Незважаючи на те, що ринок квантових обчислень, за прогнозами, досягне 65 мільярдів доларів до 2030 року, перед його впровадженням у реальному світі ще багато перешкод. Зважаючи на це, квантові обчислення мають потенціал для вирішення багатьох наших найскладніших проблем. Дослідницькі групи в університетах і приватних установах по всьому світу наполегливо працюють, щоб це стало реальністю.

Одну з цих команд очолює Сюй І, доцент кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії Школи інженерії та прикладних наук Університету Вірджинії. 

Його команда створила нішу у фізиці та застосуванні фотонних пристроїв, які використовуються для виявлення та формування світла для таких додатків, як комунікації та обчислення. Команда розробила масштабовану квантову обчислювальну платформу, яка різко скорочує кількість пристроїв, необхідних для досягнення квантової швидкості, і це вдалося розмістити на фотонному чіпі розміром з копійки.

До команди також увійшли Олів’є Пфістер, професор квантової оптики та квантової інформації в UVA, і Хансуек Лі, доцент Корейського передового інституту науки і технологій.

Дослідження було опубліковано в Природа зв'язку.

Його також підтримали Zijiao Yang, аспірант з фізики, і Mandana Jahanbozorgi, Ph.D. студент електротехніки та комп'ютерної інженерії. Вони двоє є співавторами статті. 

Квантові обчислення та обробка інформації

Квантові обчислення відкривають новий спосіб обробки інформації, і це дозволяє вашому настільному комп’ютеру чи портативному комп’ютеру обробляти інформацію у вигляді довгих рядків бітів. Біт містить або нуль, або одиницю, і квантові комп’ютери обробляють інформацію паралельно, тобто їм не потрібно чекати, поки буде оброблена одна послідовність інформації, перш ніж перейти до інших. Кубіт є фундаментальним будівельним блоком квантових обчислень, і це одиниця інформації, яка може бути одиницею і нулем одночасно. З іншого боку, квантовий режим охоплює весь спектр змінних від одиниці до нуля.

Зараз дослідники працюють над різними підходами для ефективного виробництва великої кількості кумодів, необхідних для досягнення квантових швидкостей.

Новий підхід на основі фотоніки, розроблений Йі, особливо корисний, оскільки поле світла також має повний спектр. Це означає, що кожна світлова хвиля в спектрі має потенціал стати квантовою одиницею. Йі припустив, що світло досягне квантового стану, якщо поля світла переплутаються.

Створення системи

Команда Ї створила квантове джерело в оптичному мікрорезонаторі, який є кільцеподібною структурою міліметрового розміру, яка огортає фотони, перш ніж створити мікроскоп, пристрій, який перетворює фотони з однієї довжини хвилі на кілька. Світло циркулює навколо кільця та накопичує оптичну потужність, яка потім підвищує ймовірність взаємодії фотонів. Це, у свою чергу, створює квантове заплутування між полями світла в мікрогребінці. 

Команда І використовувала мультиплексування, щоб перевірити генерацію 40 qumodes з одного мікрорезонатора на чіпі, і вони продемонстрували, що мультиплексування квантових мод може працювати в інтегрованих фотонних платформах. 

«За нашими оцінками, коли ми оптимізуємо систему, ми зможемо генерувати тисячі qumodes з одного пристрою», — сказав Ї.

Завдяки техніці мультиплексування Yi ми наближаємося до використання квантових обчислень у реальних умовах, де є неминучі помилки. Ці помилки зумовлені квантовими станами та їх крихкою природою.

Щоб компенсувати кількість помилок, може знадобитися понад один мільйон кубітів, і кількість пристроїв пропорційно збільшується. Мультиплексування зменшує цю кількість пристроїв на два-три порядки. 

Є ще дві переваги системи Yi на основі фотоніки. По-перше, оскільки фотон не має маси, квантові комп’ютери з фотонними інтегрованими мікросхемами можуть працювати або спати при кімнатній температурі. Лі також виготовив мікрорезонатор на кремнієвому чіпі за допомогою стандартної техніки літографії. Це означає, що резонатор або квантове джерело можна виробляти масово. 

«Ми пишаємося тим, що розширюємо кордони інженерії в квантових обчисленнях і прискорюємо перехід від об’ємної оптики до інтегрованої фотоніки», – сказав Ї. «Ми продовжимо досліджувати способи інтеграції пристроїв і схем у платформу квантових обчислень на основі фотоніки та оптимізувати її продуктивність».