Путь к квантовым вычислениям в реальных условиях открыт

Открытие лекарств — один из примеров. Чтобы понять взаимодействие лекарств, фармацевтическая компания может смоделировать взаимодействие двух молекул.

Проблема в том, что каждая молекула состоит из нескольких сотен атомов, и ученые должны смоделировать все способы, которыми эти атомы могут выстраиваться, когда вводятся соответствующие молекулы. Число возможных конфигураций бесконечно — больше, чем количество атомов во всей вселенной. Только квантовый компьютер может представить, а тем более решить такую ​​обширную проблему динамических данных.

До массового использования квантовых вычислений еще предстоит пройти десятилетия, в то время как исследовательские группы в университетах и ​​частных компаниях по всему миру работают над различными аспектами технологии.

Исследовательская группа во главе с Сюй И, доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии, заняла нишу в физике и применении фотонных устройств, которые обнаруживают и формируют свет в широком диапазоне использования, включая связь и вычисления. Его исследовательская группа создала масштабируемую платформу квантовых вычислений, которая резко сокращает количество устройств, необходимых для достижения квантовой скорости, на фотонном чипе размером с пенни.

Этому успеху способствовали Оливье Пфистер, профессор квантовой оптики и квантовой информации в UVA, и Хансуэк Ли, доцент Корейского передового института науки и технологий.

Nature Communications недавно опубликовал результаты экспериментов группы «Сжатый квантовый микрогребень на кристалле». Двое из членов группы И, Цзицзяо Ян, доктор философии. студент-физик и доктор философии Мандана Джаханбозорги. студент кафедры электротехники и вычислительной техники, является соавтором статьи. Грант от программы Инженерные квантовые интегрированные платформы для квантовых коммуникаций Национального научного фонда поддерживает это исследование.

Квантовые вычисления обещают совершенно новый способ обработки информации. Ваш настольный или портативный компьютер обрабатывает информацию в виде длинных цепочек битов. Бит может содержать только одно из двух значений: ноль или единицу. Квантовые компьютеры обрабатывают информацию параллельно, что означает, что им не нужно ждать обработки одной последовательности информации, прежде чем они смогут вычислить больше. Их единица информации называется кубитом, гибридом, который может быть равен единице и нулю одновременно. Квантовый режим, или qumode, охватывает полный спектр переменных от единицы до нуля — значения справа от десятичной точки.

Исследователи работают над различными подходами к эффективному созданию огромного количества квадроциклов, необходимых для достижения квантовых скоростей.

Подход Йи, основанный на фотонике, привлекателен тем, что поле света также имеет полный спектр; каждая световая волна в спектре потенциально может стать квантовой единицей. Йи предположил, что, запутывая световые поля, свет достигнет квантового состояния.

Вы, вероятно, знакомы с оптическими волокнами, по которым информация доставляется через Интернет. В каждом оптическом волокне параллельно используются лазеры разных цветов — явление, называемое мультиплексированием. Йи перенес концепцию мультиплексирования в квантовую сферу.

Микро ключ к успеху его команды. UVA является пионером и лидером в использовании оптического мультиплексирования для создания масштабируемой платформы квантовых вычислений. В 2014 году группе Пфистера удалось создать более 3000 квантовых мод в объемной оптической системе. Однако использование такого количества квантовых режимов требует большой площади для размещения тысяч зеркал, линз и других компонентов, которые потребуются для запуска алгоритма и выполнения других операций.

«Будущее этой области — за интегрированной квантовой оптикой», — сказал Пфистер. «Только перенос экспериментов по квантовой оптике из защищенных оптических лабораторий на полевые фотонные чипы позволит добросовестный квантовые технологии смогут увидеть свет. Нам очень повезло, что мы смогли привлечь в UVA мирового эксперта в области квантовой фотоники, такого как Сюй И, и я очень воодушевлен перспективами, которые открывают перед нами эти новые результаты ».

Группа И создала квантовый источник в оптическом микрорезонаторе — кольцеобразной структуре миллиметрового размера, которая охватывает фотоны и генерирует микрокоб, устройство, которое эффективно преобразует фотоны с одной длины волны в несколько. Свет циркулирует по кольцу для увеличения оптической силы. Это увеличение мощности увеличивает шансы фотонов взаимодействовать, что создает квантовую запутанность между световыми полями в микрогребне.

С помощью мультиплексирования команда Йи проверила генерацию 40 квмод из одного микрорезонатора на чипе, доказав, что мультиплексирование квантовых мод может работать в интегрированных фотонных платформах. Это просто число, которое они могут измерить.

«По нашим оценкам, когда мы оптимизируем систему, мы можем генерировать тысячи qumode с одного устройства», — сказал Йи.

Техника мультиплексирования Йи открывает путь к квантовым вычислениям для реальных условий, где ошибки неизбежны. Это верно даже для классических компьютеров. Но квантовые состояния гораздо более хрупкие, чем классические.

Количество кубитов, необходимых для компенсации ошибок, может превышать один миллион с пропорциональным увеличением количества устройств. Мультиплексирование сокращает количество необходимых устройств на два-три порядка.

Система Yi на основе фотоники предлагает два дополнительных преимущества в поисках квантовых вычислений. Платформы квантовых вычислений, в которых используются сверхпроводящие электронные схемы, требуют охлаждения до криогенных температур. Поскольку у фотона нет массы, квантовые компьютеры с фотонными интегрированными чипами могут работать или спать при комнатной температуре. Кроме того, Ли изготовил микрорезонатор на кремниевом кристалле, используя стандартные методы литографии. Это важно, потому что подразумевает, что резонатор или квантовый источник могут производиться серийно.

«Мы гордимся тем, что расширяем границы инженерной мысли в области квантовых вычислений и ускоряем переход от объемной оптики к интегрированной фотонике», — сказал Йи. «Мы продолжим изучать способы интеграции устройств и схем в платформу квантовых вычислений на основе фотоники и оптимизировать ее производительность».