Skubbende kvantefotonik

Kvantecomputere bruger det grundlæggende i kvantemekanikken til potentielt at fremskynde processen med at løse komplekse beregninger. Antag, at du skal udføre opgaven med at søge efter et bestemt nummer i en telefonbog. En klassisk computer vil søge på hver linje i telefonbogen, indtil den finder et match. En kvantecomputer kunne søge i hele telefonbogen på samme tid ved at vurdere hver linje samtidigt og returnere et resultat meget hurtigere.

Forskellen i hastighed skyldes computerens grundlæggende enhed til behandling af information. I en klassisk computer, den grundlæggende enhed kaldes lidt, en elektrisk eller optisk impuls, der repræsenterer enten 0 eller 1. En kvantecomputers grundenhed er en qubit, som kan repræsentere adskillige kombinationer af værdier fra 0 og 1 på samme tid. Det er denne egenskab, der kan gøre det muligt for kvantecomputere at fremskynde beregninger. Ulempen ved qubits er, at de eksisterer i en skrøbelig kvantetilstand, der er sårbar over for miljøstøj, såsom temperaturændringer. Som resultat, generering og styring af qubits i et kontrolleret miljø udgør betydelige udfordringer for forskere.

UC Santa Barbara ingeniør Galan Moody, en assisterende professor i elektro- og computerteknik, har foreslået en løsning til at overvinde den dårlige effektivitet og ydeevne af eksisterende kvanteberegningsprototyper, der bruger lys til at kode og behandle information. Optiske systemer er attraktive, fordi de naturligt forbinder kvanteberegning og netværk i den samme fysiske ramme. Imidlertid, eksisterende teknologi kræver stadig off-chip optiske operationer, som dramatisk reducerer effektiviteten, ydeevne og skalerbarhed. I sit projekt, "Heterogen III-V/Silicon Photonics for All-on-Chip:Linear Optical Quantum Computing, "Moody sigter mod at skabe en optisk kvantecomputerplatform, hvor alle de væsentlige komponenter er integreret på en enkelt halvlederchip.

"Integrerede elektroniske kredsløb muliggjorde revolutionerende fremskridt inden for klassisk computing. Vores mål er at skabe integrerede fotoniske kredsløb, der har samme indflydelse på kvanteberegning, " sagde Moody, som sluttede sig til UCSB's College of Engineering i efteråret efter at have tilbragt seks år på National Institute of Standards and Technology som postdoc-stipendiat og forsker. "Dette kan føre til en dramatisk forbedring af effektivitet og behandlingshastighed og muliggøre helt nye metoder til behandling og transmission af information ved hjælp af lys."

Moody's forskningsprojekt har nu fået et markant løft fra det amerikanske luftvåben. Han er en af ​​40 videnskabsmænd i den tidlige karriere, der er udvalgt til en Young Investigator Award 2019 fra Air Force Office of Scientific Research. Vinderne modtager $450, 000 over tre år for at støtte deres arbejde. Programmet er beregnet til at fremme forskning udført af unge videnskabsmænd, der understøtter luftvåbnets mission om at kontrollere og maksimere udnyttelsen af ​​luft, rum og cyberspace, samt relaterede udfordringer inden for naturvidenskab og teknik.

"Det er en ære at være blandt denne gruppe af talentfulde prismodtagere, og jeg er taknemmelig for at blive udvalgt, " sagde Moody. "Denne pris vil give min forskergruppe mulighed for at få en mere meningsfuld indflydelse på det spændende og hurtigt udviklende kvanteinformationslandskab."

For at udvikle en helelektrisk, alt-på-chip kvantefotonisk platform, Moody foreslår at integrere tre teknologier, der er udviklet til forskellige platforme og applikationer. Komponenterne er elektrisk drevne kvanteprik-enkeltfotonkilder, siliciumbaseret fotonik til optiske operationer, og superledende nanotråd enkelt-foton detektorer.

"Vi vil bruge fysisk modellering til at guide design og fremstilling af enheden, " sagde han. "Kvanteoptisk spektroskopi vil give os indsigt i materialeegenskaber og støjkilder, og on-chip optiske interferometre vil muliggøre målinger, hvilket giver os mulighed for at forbedre materialets renhed, overvåge lyskilden og udføre beregninger. Ultimativt, vi ønsker bedre at forstå og udnytte alle fordele, som kvantemekanik kan give til computere og netværk."

Ifølge Moody, den nye teknologi kan også have transformative virkninger på områder som nøglefærdige kvantelyskilder til sikker kommunikation, og for at reducere størrelsen, vægt og strømforbrug af klassiske fotoniske enheder såsom lasere og LED'er.