Cercetătorii deschid o cale către calculul cuantic în condițiile din lumea reală

Se preconizează că piața calculelor cuantice va ajunge la 65 de miliarde de dolari până în 2030, un subiect fierbinte atât pentru investitori, cât și pentru oamenii de știință, datorită potențialului său de a rezolva probleme incomprensibil de complexe. Descoperirea drogurilor este un exemplu. Pentru a înțelege interacțiunile medicamentoase, o companie farmaceutică ar putea dori să simuleze interacțiunea a două molecule. Provocarea constă în faptul că fiecare moleculă este compusă din câteva sute de atomi, iar oamenii de știință trebuie să modeleze toate modurile în care acești atomi s-ar putea aranja atunci când moleculele lor respective sunt introduse. Numărul de configurații posibile este infinit – mai mult decât numărul de atomi din întregul univers. Numai un computer cuantic poate reprezenta, cu atât mai puțin rezolva, o astfel de problemă expansivă, dinamică a datelor.

Utilizarea obișnuită a calculelor cuantice rămâne la câteva decenii distanță, în timp ce echipele de cercetare din universități și industria privată din întreaga lume lucrează la diferite dimensiuni ale tehnologiei. O echipă de cercetători condusă de Xu Yi, profesor asistent de inginerie electrică și informatică la Școala de Inginerie și Științe Aplicate a Universității din Virginia, a sculptat o nișă în fizica și aplicațiile dispozitivelor fotonice, care detectează și modelează lumina pentru o gamă largă de utilizări, inclusiv comunicații și calcul. Grupul său de cercetare a creat o platformă scalabilă de calcul cuantic, care reduce drastic numărul de dispozitive necesare pentru a atinge viteza cuantică, pe un cip fotonic de mărimea unui ban. Olivier Pfister, profesor de optică cuantică și informații cuantice la UVA, și Hansuek Lee, profesor asistent la Institutul Avansat de Știință și Tehnologie din Coreea, au contribuit la acest succes. Nature Communications a publicat recent rezultatele experimentale ale echipei, A Squeezed Quantum Microcomb on a Chip. Doi dintre membrii grupului Yi, Zijiao Yang, doctorat student la fizică și Mandana Jahanbozorgi, doctorat. student la inginerie electrică și informatică, sunt co-primii autori ai lucrării. O finanțare din partea Programului Național de Științe al Ingineriei cuantice cu platforme integrate pentru programul de comunicare cuantică susține această cercetare.

Calculul cuantic promite un mod cu totul nou de procesare a informațiilor. Computerul dumneavoastră desktop sau laptop procesează informații în șiruri lungi de biți. Un bit poate conține doar una dintre cele două valori: zero sau unu. Calculatoarele cuantice procesează informații în paralel, ceea ce înseamnă că nu trebuie să aștepte procesarea unei secvențe de informații înainte de a putea calcula mai multe. Unitatea lor de informații se numește qubit, un hibrid care poate fi unul și zero în același timp. Un mod cuantic, sau qumode, acoperă întregul spectru de variabile între unu și zero – valorile din dreapta punctului zecimal. Cercetătorii lucrează la diferite abordări pentru a produce în mod eficient numărul enorm de moduri necesare pentru a atinge viteze cuantice. Abordarea bazată pe fotonică a lui Yi este atractivă, deoarece un câmp de lumină este, de asemenea, cu spectru complet; fiecare undă luminoasă din spectru are potențialul de a deveni o unitate cuantică. Yi a emis ipoteza că, prin încurcarea câmpurilor de lumină, lumina va atinge o stare cuantică. Probabil că sunteți familiarizați cu fibrele optice care furnizează informații prin internet. În cadrul fiecărei fibre optice, sunt utilizate în paralel lasere cu multe culori diferite, fenomen numit multiplexare. Yi a transportat conceptul de multiplexare în tărâmul cuantic. Micro este cheia succesului echipei sale. UVA este un pionier și un lider în utilizarea multiplexării optice pentru a crea o platformă scalabilă de calcul cuantic. În 2014, grupul Pfister a reușit să genereze peste 3.000 de moduri cuantice într-un sistem optic în bloc. Cu toate acestea, utilizarea acestor numeroase moduri cuantice necesită o amprentă mare pentru a conține mii de oglinzi, lentile și alte componente care ar fi necesare pentru a rula un algoritm și a efectua alte operații.

„Viitorul domeniului este optica cuantică integrată”, a spus Pfister. „Numai prin transferul experimentelor de optică cuantică din laboratoarele de optică protejate pe cipuri fotonice compatibile cu câmpul, tehnologia cuantică de bună-credință va putea vedea lumina zilei. Suntem extrem de norocoși că am putut atrage în UVA un expert mondial în fotonică cuantică, cum ar fi ca Xu Yi și sunt foarte încântat de perspectivele pe care ni le deschid aceste noi rezultate. ” Grupul lui Yi a creat o sursă cuantică într-un microrezonator optic, o structură în formă de inel, de dimensiuni milimetrice, care învelește fotonii și generează un microcob, un dispozitiv care convertește eficient fotonii de la lungimi de undă simple la multiple. Lumina circulă în jurul inelului pentru a acumula putere optică. Această acumulare de putere sporește șansele interacțiunii fotonilor, ceea ce produce încurcarea cuantică între câmpurile de lumină din microcomb. Prin multiplexare, echipa lui Yi a verificat generarea a 40 de qumode de la un singur microrezonator pe un cip, demonstrând că multiplexarea modurilor cuantice poate funcționa pe platforme fotonice integrate. Acesta este doar numărul pe care îl pot masura. „Estimăm că atunci când optimizăm sistemul, putem genera mii de moduri de pe un singur dispozitiv”, a spus Yi. Tehnica de multiplexare a lui Yi deschide o cale spre calculul cuantic pentru condiții din lumea reală, unde erorile sunt inevitabile. Acest lucru este adevărat chiar și în computerele clasice. Dar stările cuantice sunt mult mai fragile decât stările clasice. Numărul de qubituri necesare pentru a compensa erorile ar putea depăși un milion, cu o creștere proporțională a numărului de dispozitive. Multiplexarea reduce numărul de dispozitive necesare cu două sau trei ordine de mărime. Sistemul bazat pe fotonica lui Yi oferă două avantaje suplimentare în misiunea de calcul cuantic. Platformele de calcul cuantice care utilizează circuite electronice supraconductoare necesită răcire la temperaturi criogene. Deoarece fotonul nu are masă, computerele cuantice cu cipuri fotonice integrate pot rula sau dormi la temperatura camerei. În plus, Lee a fabricat microrezonatorul pe un cip de siliciu folosind tehnici standard de litografie. Acest lucru este important deoarece implică că rezonatorul sau sursa cuantică pot fi produse în masă. „Suntem mândri să împingem frontierele ingineriei în calculul cuantic și să accelerăm tranziția de la optica în vrac la fotonică integrată”, a spus Yi. „Vom continua să explorăm modalități de a integra dispozitive și circuite într-o platformă de calcul cuantic bazată pe fotonică și să-i optimizăm performanța.” Sursa: phys.org