Forskere åbner en vej mod kvanteberegning under virkelige forhold

Kvanteberegningsmarkedet forventes at nå $ 65 milliarder i 2030, et varmt emne for både investorer og forskere på grund af dets potentiale til at løse uforståeligt komplekse problemer.

Lægemiddelopdagelse er et eksempel. For at forstå lægemiddelinteraktioner, et medicinalfirma vil måske simulere interaktionen mellem to molekyler. Udfordringen er, at hvert molekyle består af et par hundrede atomer, og forskere skal modellere alle de måder, hvorpå disse atomer kan sammensætte sig, når deres respektive molekyler introduceres. Antallet af mulige konfigurationer er uendeligt - mere end antallet af atomer i hele universet. Kun en kvantecomputer kan repræsentere, meget mindre løs, sådan en ekspansiv, dynamisk dataproblem.

Mainstream -brug af quantum computing er stadig årtier væk, mens forskerhold på universiteter og privat industri over hele kloden arbejder med forskellige dimensioner af teknologien.

Et forskerhold ledet af Xu Yi, assisterende professor i elektroteknik og computerteknik ved University of Virginia School of Engineering and Applied Science, har skåret en niche inden for fysik og anvendelser af fotoniske enheder, som registrerer og former lys til en lang række anvendelser, herunder kommunikation og computing. Hans forskningsgruppe har skabt en skalerbar kvanteberegningsplatform, som drastisk reducerer antallet af enheder, der er nødvendige for at opnå kvantehastighed, på en fotonisk chip på størrelse med en krone.

Olivier Pfister, professor i kvanteoptik og kvanteinformation ved UVA, og Hansuek Lee, adjunkt ved Korean Advanced Institute of Science and Technology, bidraget til denne succes.

Naturkommunikation offentliggjorde for nylig teamets eksperimentelle resultater, En presset Quantum Microcomb på en chip. To af Yis gruppemedlemmer, Zijiao Yang, en ph.d. studerende i fysik, og Mandana Jahanbozorgi, en ph.d. studerende i el- og computerteknik, er papirets co-first forfattere. Et tilskud fra National Science Foundation's Engineering Quantum Integrated Platforms for Quantum Communication -program understøtter denne forskning.

Quantum computing lover en helt ny måde at behandle oplysninger på. Din stationære eller bærbare computer behandler oplysninger i lange bits. En smule kan kun indeholde en af ​​to værdier:nul eller en. Kvantecomputere behandler oplysninger parallelt, hvilket betyder, at de ikke behøver at vente på, at en sekvens af oplysninger skal behandles, før de kan beregne mere. Deres informationsenhed kaldes en qubit, en hybrid, der kan være én og nul på samme tid. En kvantetilstand, eller qumode, spænder over hele spektret af variabler mellem en og nul - værdierne til højre for decimalpunktet.

Forskere arbejder på forskellige tilgange til effektivt at producere det enorme antal qumodes, der er nødvendige for at opnå kvantehastigheder.

Yis fotonikbaserede tilgang er attraktiv, fordi et lysfelt også er fuldt spektrum; hver lysbølge i spektret har potentiale til at blive en kvanteenhed. Yi antog, at ved at sammenfiltre lysfelter, lyset ville opnå en kvantetilstand.

Du kender sandsynligvis de optiske fibre, der leverer information via internettet. Inden for hver optisk fiber, lasere i mange forskellige farver bruges parallelt, et fænomen kaldet multiplexing. Yi førte multiplexingskonceptet ind i kvanteområdet.

Micro er nøglen til hans teams succes. UVA er en pioner og førende inden for brugen af ​​optisk multiplexing til at skabe en skalerbar kvanteberegningsplatform. I 2014, Det lykkedes Pfisters gruppe at generere mere end 3, 000 kvantetilstande i et optisk bulk -system. Imidlertid, brug af disse mange kvantetilstande kræver et stort fodaftryk for at indeholde tusindvis af spejle, linser og andre komponenter, der ville være nødvendige for at køre en algoritme og udføre andre operationer.

"Feltets fremtid er integreret kvanteoptik, "Sagde Pfister." Kun ved at overføre kvanteoptiske eksperimenter fra beskyttede optiklaboratorier til feltkompatible fotoniske chips vil bona fide kvanteteknologi være i stand til at se dagens lys. Vi er ekstremt heldige at have været i stand til at tiltrække til UVA en verdensekspert i kvantefotonik såsom Xu Yi, og jeg er meget begejstret over de perspektiver, disse nye resultater åbner for os. "

Yis gruppe oprettede en kvantekilde i en optisk mikroresonator en ringformet, millimeterstørrelse, der omslutter fotoner og genererer en mikroklob, en enhed, der effektivt konverterer fotoner fra enkelt til flere bølgelængder. Lys cirkulerer rundt om ringen for at opbygge optisk strøm. Denne strømopbygning øger chancerne for fotoner til at interagere, som producerer kvanteindvikling mellem lysfelter i mikrokammen.

Gennem multiplexering, Yis team bekræftede generationen af ​​40 qumodes fra en enkelt mikroresonator på en chip, beviser, at multiplexering af kvantetilstande kan fungere i integrerede fotoniske platforme. Dette er bare det tal, de er i stand til at måle.

"Vi vurderer, at når vi optimerer systemet, vi kan generere tusindvis af qumodes fra en enkelt enhed, "Sagde Yi.

Yis multiplexingsteknik åbner en vej mod kvanteberegning til virkelige forhold, hvor fejl er uundgåelige. Dette er sandt, selv i klassiske computere. Men kvantetilstande er meget mere skrøbelige end klassiske tilstande.

Antallet af qubits, der er nødvendige for at kompensere for fejl, kan overstige en million, med en forholdsmæssig stigning i antallet af enheder. Multiplexering reducerer antallet af nødvendige enheder med to eller tre størrelsesordener.

Yis fotonikbaserede system giver to yderligere fordele i quantum computing quest. Quantum computing platforme, der bruger superledende elektroniske kredsløb, kræver afkøling til kryogene temperaturer. Fordi fotonet ikke har nogen masse, kvantecomputere med fotonisk integrerede chips kan køre eller sove ved stuetemperatur. Derudover Lee fremstillede mikroresonatoren på en siliciumchip ved hjælp af standard litografi teknikker. Dette er vigtigt, fordi det indebærer, at resonatoren eller kvantekilden kan masseproduceres.

"Vi er stolte over at skubbe grænserne for teknik inden for kvantecomputing og fremskynde overgangen fra bulkoptik til integreret fotonik, "Yi sagde." Vi vil fortsætte med at undersøge måder at integrere enheder og kredsløb i en fotonisk baseret kvanteberegningsplatform og optimere dens ydeevne. "