Wetenschappers van de Universiteit van Bristol en de Technische Universiteit van Denemarken hebben een veelbelovende nieuwe manier gevonden om de volgende generatie kwantumsimulators te bouwen die licht- en siliciummicrochips combineren.

In de routekaart om kwantummachines te ontwikkelen die in staat zijn te concurreren en klassieke supercomputers te overwinnen bij het oplossen van specifieke problemen, de wetenschappelijke gemeenschap wordt geconfronteerd met twee belangrijke technologische uitdagingen.

De eerste is het vermogen om grote kwantumcircuits te bouwen die de informatie op grote schaal kunnen verwerken, en de tweede is het vermogen om een ​​groot aantal afzonderlijke kwantumdeeltjes te creëren die de kwantuminformatie via dergelijke circuits kunnen coderen en verspreiden.

Aan beide vereisten moet worden voldaan om een ​​geavanceerde kwantumtechnologie te ontwikkelen die klassieke machines kan overwinnen.

Een veelbelovend platform om dergelijke uitdagingen aan te gaan, is siliciumkwantumfotonica. Bij deze technologie, de informatie die door fotonen wordt gedragen, enkel deeltje van licht, wordt gegenereerd en verwerkt in siliciummicrochips.

Deze apparaten geleiden en manipuleren licht op nanoschaal met behulp van geïntegreerde golfgeleiders - het analoog van optische vezels op nanometerschaal.

Cruciaal, de fabricage van fotonische chips vereist dezelfde technieken die worden gebruikt voor de fabricage van elektronische microchips in de halfgeleiderindustrie, waardoor de fabricage van kwantumcircuits op grote schaal mogelijk wordt.

In de Quantum Engineering Technology (QET) Labs van de Universiteit van Bristol, het team heeft onlangs silicium fotonische chips gedemonstreerd die kwantuminterferometers bevatten die zijn samengesteld uit bijna duizend optische componenten, ordes van grootte hoger dan enkele jaren geleden mogelijk was.

Echter, de grote vraag die onbeantwoord bleef, was of deze apparaten ook een aantal fotonen konden produceren die groot genoeg waren om nuttige kwantumcomputertaken uit te voeren. Het door Bristol geleide onderzoek, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , toont aan dat deze vraag een positief antwoord heeft.

Door recente technologische ontwikkelingen in siliciumkwantumfotonica te onderzoeken, het team heeft aangetoond dat zelfs kleinschalige siliciumfotonische circuits een aantal fotonen kunnen genereren en verwerken die ongekend zijn in geïntegreerde fotonica.

In feite, door onvolkomenheden in het circuit zoals fotonverliezen, eerdere demonstraties in geïntegreerde fotonica waren meestal beperkt tot experimenten met slechts twee fotonen die op de chip werden gegenereerd en verwerkt, en pas vorig jaar experimenten met vier fotonen werden gerapporteerd met behulp van complexe schakelingen.

In productie, door het ontwerp van elk geïntegreerd onderdeel te verbeteren, het team laat zien dat zelfs eenvoudige circuits experimenten kunnen produceren met maximaal acht fotonen, dubbel dan het vorige record in geïntegreerde fotonica. Bovendien, hun analyse laat zien dat door de complexiteit van het circuit op te schalen, dat is een sterk vermogen van het siliciumplatform, experimenten met meer dan 20 fotonen zijn mogelijk, een regime waarin wordt verwacht dat fotonische kwantummachines de beste klassieke supercomputers zullen overtreffen.

De studie onderzoekt ook mogelijke toepassingen voor dergelijke fotonica-quantumprocessors op korte termijn die een regime van kwantumvoordeel binnengaan.

Vooral, door het type optische niet-lineariteit in de chip te herconfigureren, ze toonden aan dat siliciumchips kunnen worden gebruikt om verschillende kwantumsimulatietaken uit te voeren, bekend als boson sampling problemen.

Voor sommige van deze protocollen, bijvoorbeeld de Gaussische Boson Sampling - deze nieuwe demonstratie is een wereldprimeur.

Het team toonde ook aan dat het gebruik van dergelijke protocollen, silicium kwantumapparaten zullen industrieel relevante problemen kunnen oplossen. Vooral, ze laten zien hoe het chemische probleem van het vinden van de trillingsovergangen in moleculen die een elektronische transformatie ondergaan, kan worden gesimuleerd op ons type apparaten met behulp van Gaussian Boson Sampling.

Hoofdauteur Dr. Stefano Paesani van het Centre for Nanoscience and Quantum Information van de Universiteit van Bristol, zei:"Onze bevindingen tonen aan dat fotonische kwantumsimulators die klassieke supercomputers overtreffen, een realistisch vooruitzicht op korte termijn zijn voor het siliciumquantumfotonicaplatform.

"De ontwikkeling van dergelijke kwantummachines kan mogelijk baanbrekende effecten hebben op industrieel relevante gebieden zoals chemie, moleculair ontwerpen, kunstmatige intelligentie, en big data-analyse.

"Toepassingen omvatten het ontwerp van betere farmacie en de engineering van moleculaire toestanden die in staat zijn om efficiënter energie op te wekken."

Co-auteur Dr. Raffaele Santagati voegde toe:"De verkregen resultaten geven ons het vertrouwen dat de mijlpaal van kwantummachines die sneller zijn dan welke huidige klassieke computers dan ook, binnen het bereik van het geïntegreerde kwantumfotonica-platform ligt.

"Hoewel het waar is dat ook andere technologieën de mogelijkheid hebben om een ​​dergelijk regime te bereiken, bijvoorbeeld ingesloten ionen of supergeleidende systemen, de fotonica-benadering heeft het unieke voordeel dat ze de toepassingen op korte termijn heeft die we hebben onderzocht. Het fotonische pad, hoewel gevaarlijk, is ingesteld, en is zeer de moeite waard om na te streven."

Professor Anthony Laing, Universitair hoofddocent natuurkunde aan Bristol, begeleidde het project. Hij zei:"Door het aantal fotonen te verviervoudigen, zowel gegenereerd als verwerkt in dezelfde chip, het team heeft de toon gezet voor het opschalen van kwantumsimulators tot tientallen fotonen, waar prestatievergelijkingen met de huidige standaard computerhardware zinvol worden."