Generering og prøveudtagning af kvantetilstande af lys i en siliciumchip

Forskere fra University of Bristol og Danmarks Tekniske Universitet har fundet en lovende ny måde at bygge den næste generation af kvantesimulatorer, der kombinerer lys- og siliciummikrochips.

I køreplanen for at udvikle kvantemaskiner, der er i stand til at konkurrere og overvinde klassiske supercomputere i løsning af specifikke problemer, det videnskabelige samfund står over for to store teknologiske udfordringer.

Den første er evnen til at bygge store kvantekredsløb i stand til at behandle informationen i massiv skala, og den anden er evnen til at skabe et stort antal enkelte kvantepartikler, der kan kode og udbrede kvanteinformationen gennem sådanne kredsløb.

Begge disse to krav skal være opfyldt for at udvikle en avanceret kvanteteknologi, der er i stand til at overvinde klassiske maskiner.

En meget lovende platform til at tackle sådanne udfordringer er siliciumkvantefotonik. I denne teknologi, information båret af fotoner, enkelt partikel af lys, er genereret og behandlet i silicium mikrochips.

Disse enheder styrer og manipulerer lys på nanoskala ved hjælp af integrerede bølgeledere - analogen af ​​optiske fibre på nanometerskala.

Afgørende, fremstillingen af ​​fotoniske chips kræver de samme teknikker, der anvendes til fremstilling af elektroniske mikrochips i halvlederindustrien, gør fremstillingen af ​​kvantekredsløb i massiv skala mulig.

I University of Bristols Quantum Engineering Technology (QET) Labs, holdet har for nylig demonstreret fotoniske siliciumchips, der indlejrer kvanteinterferometre sammensat af næsten tusind optiske komponenter, størrelsesordener højere end hvad der var muligt for få år siden.

Imidlertid, det store spørgsmål, der forblev ubesvaret, var, om disse enheder også var i stand til at producere et antal fotoner, der er store nok til at udføre nyttige kvanteberegningsopgaver. Den Bristol-ledede forskning, offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturfysik , viser, at dette spørgsmål har et positivt svar.

Ved at udforske den seneste teknologiske udvikling inden for siliciumkvantefotonik, holdet har vist, at selv små fotoniske siliciumkredsløb kan generere og behandle en række fotoner uden fortilfælde i integreret fotonik.

Faktisk, på grund af ufuldkommenheder i kredsløbet, såsom fotontab, tidligere demonstrationer i integreret fotonik har for det meste været begrænset til eksperimenter med kun to fotoner genereret og behandlet på chip, og kun sidste år, fire-foton eksperimenter blev rapporteret ved hjælp af komplekse kredsløb.

I arbejdet, ved at forbedre designet af hver integreret komponent, holdet viser, at selv simple kredsløb kan producere eksperimenter med op til otte fotoner, dobbelt end den tidligere rekord i integreret fotonik. I øvrigt, deres analyse viser, at ved at opskalere kredsløbskompleksiteten, som er en stærk kapacitet af silicium platformen, eksperimenter med mere end 20 fotoner er mulige, et regime, hvor fotoniske kvantemaskiner forventes at overgå de bedste klassiske supercomputere.

Undersøgelsen undersøger også mulige anvendelser for sådanne kortsigtede fotonik-kvanteprocessorer, der går ind i et regime med kvantefordel.

I særdeleshed, ved at omkonfigurere typen af ​​optisk ikke-linearitet i chippen, de demonstrerede, at siliciumchips kan bruges til at udføre en række kvantesimuleringsopgaver, kendt som bosonprøveudtagningsproblemer.

For nogle af disse protokoller – f.eks. den Gaussiske Boson Sampling - denne nye demonstration er en verdensførste.

Holdet viste også, at ved hjælp af sådanne protokoller, silicium kvanteenheder vil kunne løse industrielt relevante problemer. I særdeleshed, de viser, hvordan det kemiske problem med at finde vibrationsovergangene i molekyler, der gennemgår en elektronisk transformation, kan simuleres på vores type enheder ved hjælp af Gaussian Boson Sampling.

Hovedforfatter Dr. Stefano Paesani fra University of Bristol's Center for Nanoscience and Quantum Information, sagde:"Vores resultater viser, at fotoniske kvantesimulatorer, der overgår klassiske supercomputere, er en realistisk udsigt på kort sigt for siliciumkvantefotonikplatformen.

"Udviklingen af ​​sådanne kvantemaskiner kan have potentielt banebrydende virkninger på industrielt relevante områder såsom kemi, molekylær design, kunstig intelligens, og big-data analyse.

"Anvendelser omfatter design af bedre lægemidler og konstruktion af molekylære tilstande, der er i stand til at generere energi mere effektivt."

Medforfatter Dr. Raffaele Santagati tilføjede:"De opnåede resultater gør os sikre på, at milepælen for kvantemaskiner hurtigere end nogen nuværende klassiske computere er inden for rækkevidde af den integrerede kvantefotonikplatform.

"Selvom det er rigtigt, at også andre teknologier har evnen til at nå et sådant regime, for eksempel fangede ioner eller superledende systemer, fotonik-tilgangen har den unikke fordel, at den har de kortsigtede anvendelser, vi undersøgte. Den fotoniske vej, selvom det er farligt, er indstillet, og er meget værd at forfølge."

Professor Anthony Laing, lektor i fysik ved Bristol, overvågede projektet. Han sagde:"Ved at firdoble antallet af fotoner både genereret og behandlet i den samme chip, holdet har sat scenen for opskalering af kvantesimulatorer til snesevis af fotoner, hvor ydeevnesammenligninger med nutidens standard computerhardware bliver meningsfulde."