Máy tính lượng tử Một bước gần hơn với ứng dụng thế giới thực

Trong khi thị trường máy tính lượng tử dự kiến sẽ đạt 65 tỷ đô la vào năm 2030, vẫn còn nhiều rào cản trước khi nó được triển khai trong thế giới thực. Tuy nhiên, máy tính lượng tử có tiềm năng giải quyết nhiều vấn đề phức tạp nhất của chúng ta. Các nhóm nghiên cứu tại các trường đại học và tổ chức tư nhân trên toàn thế giới đang làm việc chăm chỉ để biến điều này thành hiện thực.

Một trong những nhóm này được dẫn đầu bởi Xu Yi, giáo sư trợ lý về kỹ thuật điện và máy tính tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng của Đại học Virginia.

Đội của anh đã tạo ra một chỗ đứng trong lĩnh vực vật lý và ứng dụng của các thiết bị quang học, được sử dụng để phát hiện và định hình ánh sáng cho các ứng dụng như truyền thông và tính toán. Đội đã phát triển một nền tảng máy tính lượng tử có thể mở rộng, giảm đáng kể số lượng thiết bị cần thiết để đạt được tốc độ lượng tử, và nó có thể được thực hiện trên một chip quang học kích thước một xu.

Đội cũng bao gồm Olivier Pfister, giáo sư quang học lượng tử và thông tin lượng tử tại UVA, và Hansuek Lee, giáo sư trợ lý tại Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc.

Nghiên cứu được công bố trên Nature Communications.

Nó cũng được hỗ trợ bởi Zijiao Yang, sinh viên tiến sĩ về vật lý, và Mandana Jahanbozorgi, sinh viên tiến sĩ về kỹ thuật điện và máy tính. Hai người này là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.

Máy tính lượng tử và Xử lý Thông tin

Máy tính lượng tử mở ra một cách mới để xử lý thông tin, và nó cho phép máy tính để bàn hoặc máy tính xách tay của bạn xử lý thông tin trong các chuỗi bit dài. Một bit giữ giá trị 0 hoặc 1, và máy tính lượng tử xử lý thông tin song song, có nghĩa là chúng không cần đợi một chuỗi thông tin được xử lý trước khi chuyển sang thông tin khác. Một qubit là khối xây dựng cơ bản của máy tính lượng tử, và nó là một đơn vị thông tin có thể là 0 và 1 cùng một lúc. Một chế độ lượng tử, mặt khác, bao gồm toàn bộ phổ biến của các biến giữa 0 và 1.

Các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc trên các phương pháp khác nhau để sản xuất hiệu quả số lượng lớn qumodes cần thiết để đạt được tốc độ lượng tử.

Phương pháp mới dựa trên quang học được phát triển bởi Yi đặc biệt hữu ích vì một trường ánh sáng cũng là phổ đầy đủ. Điều này có nghĩa là mỗi sóng ánh sáng trong phổ có tiềm năng trở thành một đơn vị lượng tử. Yi假设 rằng ánh sáng sẽ đạt được trạng thái lượng tử nếu các trường ánh sáng được kết hợp.

Tạo Hệ thống

Đội của Yi đã tạo ra một nguồn lượng tử trong một microresonator quang học, là một cấu trúc hình vòng, kích thước milimét, bao quanh các photon trước khi tạo ra một kính hiển vi, một thiết bị chuyển đổi photon từ đơn sắc sang đa sắc. Ánh sáng lưu thông xung quanh vòng và xây dựng công suất quang, sau đó tăng cường khả năng photon tương tác. Điều này tạo ra sự kết hợp lượng tử giữa các trường ánh sáng trong microcomb.

Đội của Yi đã sử dụng multiplexing để xác minh việc tạo ra 40 qumodes từ một microresonator đơn trên một chip, và họ đã chứng minh rằng multiplexing của các chế độ lượng tử có thể hoạt động trong các nền tảng quang học tích hợp.

“Chúng tôi ước tính rằng khi chúng tôi tối ưu hóa hệ thống, chúng tôi có thể tạo ra hàng nghìn qumodes từ một thiết bị đơn,” Yi nói.

Thông qua kỹ thuật multiplexing của Yi, chúng tôi đang đến gần hơn với việc sử dụng máy tính lượng tử trong điều kiện thế giới thực, nơi có các lỗi không thể tránh khỏi. Những lỗi này là do trạng thái lượng tử và bản chất dễ vỡ của chúng.

Số lượng lỗi có thể yêu cầu hơn một triệu qubit để bù đắp cho chúng, và có một sự tăng tương ứng trong số lượng thiết bị. Multiplexing giảm số lượng thiết bị này xuống hai hoặc ba bậc.

Có hai lợi thế nữa của hệ thống dựa trên quang học của Yi. Thứ nhất, vì photon không có khối lượng, máy tính lượng tử với chip quang học tích hợp có thể chạy hoặc ngủ ở nhiệt độ phòng. Lee cũng chế tạo microresonator trên một chip silic sử dụng các kỹ thuật khắc tiêu chuẩn. Điều này có nghĩa là bộ cộng hưởng hoặc nguồn lượng tử có thể được sản xuất hàng loạt.

“Chúng tôi tự hào về việc đẩy ranh giới của kỹ thuật trong máy tính lượng tử và tăng tốc quá trình chuyển đổi từ quang học khối sang quang học tích hợp,” Yi nói. “Chúng tôi sẽ tiếp tục khám phá các cách để tích hợp thiết bị và mạch trong một nền tảng máy tính lượng tử dựa trên quang học và tối ưu hóa hiệu suất của nó.”