Прорыв в области фотонных чипов открывает путь к квантовым вычислениям в реальных условиях

Платформа квантовых вычислений ускоряет переход от объемной оптики к интегральной фотонике на кремниевом чипе. 

По прогнозам, к 2030 году рынок квантовых вычислений достигнет 65 миллиардов долларов, что станет горячей темой как для инвесторов, так и для ученых из-за его способности решать непостижимо сложные задачи.

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.  Квантовым компьютерам будет по силам решать такие ​​обширные задачи с динамическими данными.

До массового внедрения квантовых вычислений ещё не близко, но уже сейчас исследовательские группы в университетах и ​​частных компаниях по всему миру работают над различными аспектами этой технологии.

^{фото: Университет Вирджинии.} 

Этот кремниевый чип содержит три оптических микрорезонатора, которые улавливают фотоны и генерируют микрогребни для эффективного преобразования фотонов из одной длины волны в несколько. Команда Йи проверила генерацию 40 Qмодов из одного микрорезонатора, доказав, что мультиплексирование квантовых режимов может работать на интегрированных фотонных платформах. 

Исследовательская группа во главе с Ху Йи (да простят меня читатели), доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии, заняла свою нишу в области физики и фотонных устройств, которые обнаруживают и используют свет в широком диапазоне, включая связь и вычисления. Его исследовательская группа создала компактную  масштабируемую платформу квантовых вычислений 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.

Препринт статьи, в которой авторы представили свои экспериментальные результаты, был опубликован в журнале Nature Communication 6 августа. 

Соавторами Ху Ий выступили асаирант в области физики Цзицзяо Ян и аспирант кафедры вычислительной техники Мандана Джаханбозорги. Исследовательские работы велись при поддержке Национального научного фонда квантовых технологий. 

^{Ху Йи, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии.} 

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 справа от десятичной запятой. 

Исследователи работают над различными подходами к эффективному созданию огромного количества Qмодов (кубитов) , необходимых для достижения квантовых скоростей.

Подход Ху 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 таком оптическом волокне параллельно используются лазеры разных цветов - в основе этой технологии лежит мультиплексирование. Йи перенес концепцию мультиплексирования в квантовую сферу.

Micro - ключ к успеху его команды. UVA (Университет Вирджинии) является пионером и лидером в использовании оптического мультиплексирования для создания масштабируемой платформы квантовых вычислений. В 2014 году группе Пфистера удалось создать более 3000 Qмодов 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 квантовых вычислений за интегральной квантовой оптикой», - сказал Пфистер. «Благодаря переносу экспериментов по квантовой оптике из защищенных оптических лабораторий на фотонные чипы полноценная квантовая технология сможет увидеть свет. Нам очень повезло, что мы смогли привлечь в UVA мирового эксперта в области квантовой фотоники, такого как Ху Йи, и я очень воодушевлен перспективами, которые открывают перед нами эти новые результаты».

Группа Ху Йи создала квантовый источник в оптическом микрорезонаторе, кольцевой структуре миллиметрового размера, которая захватывает фотоны и генерирует микрогребень. Устройство эффективно преобразует фотоны с одной длины волны в несколько. Циркулируя по кольцу, свет увеличивает свою оптическую силу. Такое наращивание мощности повышает шансы фотонов на взаимодействие, что приводит к квантовому переплетению между световыми полями на микрогребне. С помощью мультиплексирования команда Йи подтвердила генерацию 40 Qмодов из одного микрорезонатора на чипе, доказав тем самым, что мультиплексирование квантовых режимов может работать на интегральных фотонных платформах. 

«По нашим оценкам, когда мы оптимизируем систему, мы сможем генерировать тысячи Qмодов  на одном чипе», - сказал Ху Йи.

Техника мультиплексирования, которую представил Ху Йи, открывает путь к квантовым вычислениям в реальных условиях, где ошибки конечно же неизбежны. Это верно даже для классических компьютеров. Более того, квантовые состояния являются гораздо более хрупкими. 

Мультиплексирование может сократить количество кубитов, необходимых для компенсации ошибок на два-три пооядка по сравнению с КК, основанными на других принципах работы. 

Система на основе фотоники предлагает два дополнительных преимущества для реализации квантовых вычислений. Платформы квантовых вычислений, в которых используются сверхпроводящие электронные схемы, требуют охлаждения до криогенных температур. Поскольку у фотона нет массы, КК на фотонных интегральных чипах могут функционировать при комнатной температуре и не требуют охлаждения. 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 интегральной фотонике. Мы конечно продолжим изучать способы интеграции наших устройств и схем в платформу квантовых вычислений и оптимизировать ее производительность», - сказал Йи

31.08.2021