Квантова обчислення на одному кроку ближче до реальних застосувань

Хоча ринок квантових обчислень очікується досягти 65 мільярдів доларів до 2030 року, все ще існує багато перешкод перед тим, як він увійде в реальну імплементацію. З тим сказано, квантова обчислення має потенціал вирішити багато наших найскладніших проблем. Дослідницькі команди в університетах і приватних інститутах по всьому світу працюють над тим, щоб зробити це реальністю.

Одна з цих команд очолюється Xu Yi, помічником професора електротехніки та комп’ютерних наук в Університеті Вірджинії Школи інженерії та прикладних наук.

Його команда створила нішу в фізиці та застосуванні фотонних пристроїв, які використовуються для виявлення та формування світла для застосувань, таких як зв’язок та обчислення. Команда розробила масштабовану платформу квантових обчислень, яка суттєво зменшує кількість пристроїв, необхідних для досягнення квантової швидкості, і це відбулося на фотонній пластині розміром з копійку.

До команди також входили Olivier Pfister, професор квантової оптики та квантової інформації в UVA, і Hansuek Lee, помічник професора в Корейському інституті передових технологій.

Дослідження було опубліковано в Nature Communications.

Дослідження також було підтримано Zijiao Yang, аспірантом фізики, і Mandana Jahanbozorgi, аспірантом електротехніки та комп’ютерних наук. Двоє з них є співавторами статті.

Квантова обчислення та обробка інформації

Квантова обчислення відкриває новий шлях обробки інформації, і це дозволяє вашому настільному комп’ютеру або ноутбуку обробляти інформацію в довгих рядках біт. Біт містить або нуль, або одиницю, і квантові комп’ютери обробляють інформацію паралельно, тобто їм не потрібно чекати, поки одна послідовність інформації буде оброблена, перш ніж перейти до іншої. Кубіт є фундаментальною одиницею квантової обчислення, і це одиниця інформації, яка може бути одночасно нулем і одиницею. Квантова мода, з іншого боку, охоплює весь спектр змінних між одиницею та нулем.

Дослідники зараз працюють над різними підходами для ефективного виробництва великої кількості кумод, необхідних для досягнення квантової швидкості.

Новий фотонний підхід, розроблений Yi, особливо корисний, оскільки поле світла також повний спектр. Це означає, що кожна хвиля світла в спектрі має потенціал стати квантова одиницею. Yi припустив, що світло досягне квантового стану, якщо поля світла будуть заплутані.

Створення системи

Команда Yi створила квантовий джерело в оптичному мікрорезонаторі, який є кільцеподібною, міліметровою структурою, що охоплює фотони перед генерацією мікроскопа, пристрою, який перетворює фотони з однієї довжини хвилі на декілька. Світло циркулює навколо кільця та нарощує оптичну потужність, яка потім підвищує шанси взаємодії фотонів. Це, в свою чергу, призводить до квантової заплутаності між полями світла в мікрокомбі.

Команда Yi використала мультиплексування для перевірки генерації 40 кубітів з одного мікрорезонатора на пластині, і вони продемонстрували, що мультиплексування квантових мод можна здійснити на інтегрованих фотонних платформах.

“Ми оцінюємо, що коли ми оптимізуємо систему, ми можемо згенерувати тисячі кубітів з одного пристрою”, – сказав Yi.

За допомогою техніки мультиплексування Yi ми наближаємося до використання квантових обчислень у реальних умовах, де є непідтверджені помилки. Ці помилки спричинені квантовими станами та їхньої крихкої природи.

Кількість помилок може вимагати понад один мільйон кубітів для компенсації їх, і існує пропорційна збільшення кількості пристроїв. Мультиплексування зменшує кількість пристроїв на два-три порядки.

Існує дві додаткові переваги системи Yi, заснованої на фотоніці. По-перше, оскільки фотон не має маси, квантові комп’ютери з фотонними інтегрованими чипами можуть працювати або спати при кімнатній температурі. Lee також виготовив мікрорезонатор на кремнієвій пластині за допомогою стандартних літографічних технік. Це означає, що резонатор або квантове джерело могли б бути масово вироблені.

“Ми пишаємося тим, що ми розширюємо межі інженерії в квантових обчисленнях та прискорюємо перехід від оптики до інтегрованої фотоніки”, – сказав Yi. “Ми продовжимо досліджувати способи інтегрувати пристрої та схеми в платформу квантових обчислень на основі фотоніки та оптимізувати її продуктивність.”