Et lovende spring mod computere med lyshastighedsfunktioner

Forskere har skabt en omprogrammerbar lys-baseret processor, en verdensnyhed, som de siger kunne indlede en ny æra med kvanteberegning og kommunikation.

Teknologier inden for disse nye områder, der opererer på atomniveau, realiserer allerede store fordele for lægemiddelopdagelse og andre småskalaapplikationer.

I fremtiden lover storskala kvantecomputere at kunne løse komplekse problemer, som ville være umulige for nutidens computere.

Ledende forsker professor Alberto Peruzzo fra RMIT University i Australien sagde, at holdets processor - en fotonikenhed, der bruger lyspartikler til at transportere information - kunne hjælpe med at muliggøre vellykkede kvanteberegninger ved at minimere "lystab."

"Vores design gør den kvantefotoniske kvantecomputer mere effektiv med hensyn til lystab, hvilket er afgørende for at kunne holde beregningen i gang," sagde Peruzzo, der leder ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) node hos RMIT.

"Hvis du mister lyset, skal du genstarte beregningen."

Andre potentielle fremskridt omfattede forbedrede datatransmissionskapaciteter til "uhackbare" kommunikationssystemer og forbedrede registreringsapplikationer inden for miljøovervågning og sundhedspleje, sagde Peruzzo.

Hvad opnåede holdet?

Holdet omprogrammerede en fotonikprocessor i en række eksperimenter og opnåede en ydeevne svarende til 2.500 enheder ved at anvende varierende spændinger. Deres resultater og analyse er offentliggjort i Nature Communications .

"Denne innovation kan føre til en mere kompakt og skalerbar platform for kvantefotoniske processorer," sagde Peruzzo.

Yang Yang, hovedforfatter, og RMIT Ph.D. lærde sagde, at enheden var "fuldstændig kontrollerbar", muliggjorde hurtig omprogrammering med reduceret strømforbrug og erstattede behovet for at lave mange skræddersyede enheder.

"Vi demonstrerede eksperimentelt forskellige fysiske dynamikker på en enkelt enhed," sagde han.

"Det er som at have en switch til at kontrollere, hvordan partikler opfører sig, hvilket er nyttigt til både at forstå kvanteverdenen og skabe nye kvanteteknologier."

Professor Mirko Lobino fra University of Trento i Italien lavede den innovative fotoniske enhed ved hjælp af en krystal kaldet lithiumniobat, og professor Yogesh Joglekar fra Indiana University Purdue University Indianapolis i USA bragte sin ekspertise inden for kondenseret stofs fysik.

Lithiumniobat har unikke optiske og elektro-optiske egenskaber, hvilket gør det ideelt til forskellige applikationer inden for optik og fotonik.

"Min gruppe var involveret i fremstillingen af ​​enheden, hvilket var særligt udfordrende, fordi vi var nødt til at miniaturisere et stort antal elektroder oven på bølgelederne for at opnå dette niveau af rekonfigurerbarhed," sagde Lobino.

"Programmerbare fotoniske processorer tilbyder en ny vej til at udforske en række fænomener i disse enheder, som potentielt vil låse op for utrolige fremskridt inden for teknologi og videnskab," sagde Joglekar.

Endnu et kvantespring?

I mellemtiden har Peruzzos team også udviklet et verdensførste hybridsystem, der kombinerer maskinlæring med modellering for at programmere fotoniske processorer og hjælpe med at kontrollere kvanteenheder.

Peruzzo sagde, at styringen af ​​en kvantecomputer var afgørende for at sikre nøjagtigheden og effektiviteten af ​​databehandling.

"En af de største udfordringer for enhedens outputnøjagtighed er støj, som beskriver interferensen i kvantemiljøet, der påvirker, hvordan qubits yder," sagde han.

Qubits er de grundlæggende enheder i kvanteberegning.

"Der er en lang række industrier, der udvikler fuldskala kvantecomputere, men de kæmper stadig mod fejl og ineffektivitet forårsaget af støj," sagde Peruzzo.

Forsøg på at kontrollere qubits var typisk baseret på antagelser om, hvad støj var, og hvad der forårsagede det, sagde Peruzzo.

"I stedet for at antage, udviklede vi en protokol, der bruger maskinlæring til at studere støjen, mens vi også bruger modellering til at forudsige, hvad systemet gør som reaktion på støjen," sagde han.

Med brugen af ​​de kvantefotoniske processorer sagde Peruzzo, at denne hybridmetode kunne hjælpe kvantecomputere med at udføre mere præcist og effektivt og påvirke, hvordan vi styrer kvanteenheder i fremtiden.

"Vi tror på, at vores nye hybridmetode har potentialet til at blive den almindelige kontroltilgang inden for kvanteberegning," sagde Peruzzo.

Hovedforfatter Dr. Akram Youssry fra RMIT sagde, at resultaterne af den nyudviklede tilgang viste betydelige forbedringer i forhold til de traditionelle metoder til modellering og kontrol og kunne anvendes på andre kvanteenheder ud over fotoniske processorer.

"Metoden hjalp os med at afdække og forstå aspekter af vores enheder, der ligger uden for de kendte fysiske modeller af denne teknologi," sagde han.

"Dette vil hjælpe os med at designe endnu bedre enheder i fremtiden."

"Eksperimentel greybox kvantesystem identifikation og kontrol," er udgivet i npj Quantum Information .

Næste trin

Peruzzo sagde, at startup-virksomheder inden for kvantecomputere kunne skabes omkring hans teams fotoniske enhedsdesign og kvantekontrolmetode, som de ville fortsætte med at studere med hensyn til applikationer og deres "fulde potentiale."

"Kvantefotonik er en af ​​de mest lovende kvanteindustrier, fordi fotonikindustrien og produktionsinfrastrukturen er meget veletableret," sagde han.

"Algorithmer til kvantemaskinelæring har potentielle fordele i forhold til andre metoder til visse opgaver, især når der er tale om store datasæt."

"Forestil dig en verden, hvor computere arbejder millioner af gange hurtigere, end de gør i dag, hvor vi kan sende information sikkert uden frygt for at blive opsnappet, og hvor vi kan løse problemer på få sekunder, som i øjeblikket ville tage år."

"Dette er ikke kun fantasi – det er den potentielle fremtid drevet af kvanteteknologier og forskning som vores baner vejen."

Flere oplysninger: Akram Youssry et al., Eksperimentel greybox kvantesystem identifikation og kontrol, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-023-00795-5

Yang Yang et al., Programmerbar højdimensionel Hamiltonian i et fotonisk bølgelederarray, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44185-z

Journaloplysninger: Nature Communications , npj Quantum Information

Leveret af RMIT University