Kwantumcomputers gebruiken de basisprincipes van de kwantummechanica om mogelijk het proces van het oplossen van complexe berekeningen te versnellen. Stel dat u de taak moet uitvoeren om naar een specifiek nummer in een telefoonboek te zoeken. Een klassieke computer doorzoekt elke regel van het telefoonboek totdat hij een overeenkomst vindt. Een kwantumcomputer zou tegelijkertijd het hele telefoonboek kunnen doorzoeken door elke regel tegelijkertijd te beoordelen en veel sneller een resultaat te geven.

Het snelheidsverschil wordt veroorzaakt door de basiseenheid van de computer voor het verwerken van informatie. Bij een klassieke computer die basiseenheid heet een bit, een elektrische of optische puls die 0 of 1 vertegenwoordigt. De basiseenheid van een kwantumcomputer is een qubit, die tegelijkertijd talrijke combinaties van waarden van 0 en 1 kan vertegenwoordigen. Het is deze eigenschap die het mogelijk maakt dat kwantumcomputers berekeningen versnellen. Het nadeel van qubits is dat ze bestaan ​​in een fragiele kwantumstaat die kwetsbaar is voor omgevingsgeluid, zoals veranderingen in temperatuur. Als resultaat, het genereren en beheren van qubits in een gecontroleerde omgeving stelt onderzoekers voor grote uitdagingen.

UC Santa Barbara-ingenieur Galan Moody, een assistent-professor in elektrische en computertechniek, heeft een oplossing voorgesteld om de slechte efficiëntie en prestaties van bestaande prototypes voor kwantumcomputers die licht gebruiken om informatie te coderen en te verwerken, te overwinnen. Optische systemen zijn aantrekkelijk omdat ze quantumcomputing en netwerken van nature in hetzelfde fysieke raamwerk koppelen. Echter, bestaande technologie vereist nog steeds off-chip optische operaties, die de efficiëntie drastisch verminderen, prestaties en schaalbaarheid. In zijn project "Heterogene III-V/Silicon Photonics voor All-on-Chip:Lineaire Optical Quantum Computing, "Moody wil een optisch kwantumcomputerplatform creëren waarin alle essentiële componenten zijn geïntegreerd op een enkele halfgeleiderchip.

"Geïntegreerde elektronische schakelingen maakten revolutionaire vooruitgang mogelijk in de klassieke informatica. Ons doel is om geïntegreerde fotonische schakelingen te creëren die dezelfde impact hebben op kwantumcomputers, " zei Moody, die dit najaar lid werd van het UCSB's College of Engineering na zes jaar als postdoctoraal fellow en onderzoekswetenschapper aan het National Institute of Standards and Technology te hebben doorgebracht. "Dit zou kunnen leiden tot een dramatische verbetering van de efficiëntie en verwerkingssnelheid en het mogelijk maken van geheel nieuwe methoden voor het verwerken en verzenden van informatie met behulp van licht."

Het onderzoeksproject van Moody's heeft nu een flinke boost gekregen van de Amerikaanse luchtmacht. Hij is een van de 40 vroege wetenschappers die zijn geselecteerd voor een Young Investigator Award 2019 van het Air Force Office of Scientific Research. Winnaars ontvangen $ 450, 000 gedurende drie jaar om hun werk te ondersteunen. Het programma is bedoeld om onderzoek door jonge wetenschappers te stimuleren dat de missie van de luchtmacht ondersteunt om het gebruik van lucht te beheersen en te maximaliseren, ruimte en cyberruimte, evenals gerelateerde uitdagingen in wetenschap en techniek.

"Het is een eer om tot deze groep getalenteerde prijswinnaars te behoren, en ik ben dankbaar dat ik ben geselecteerd, " zei Moody. "Met deze prijs kan mijn onderzoeksgroep een meer betekenisvolle impact hebben op het opwindende en snel evoluerende landschap van kwantuminformatie."

Om een ​​volledig elektrische, all-on-chip quantum fotonisch platform, Moody stelt voor om drie technologieën te integreren die zijn ontwikkeld voor verschillende platforms en applicaties. De componenten zijn elektrisch aangedreven quantum dot single-photon bronnen, op silicium gebaseerde fotonica voor optische bewerkingen, en supergeleidende nanodraad-single-foton-detectoren.

"We zullen fysieke modellering gebruiken om het ontwerp en de fabricage van het apparaat te begeleiden, " zei hij. "Quantum optische spectroscopie zal ons inzicht geven in materiaaleigenschappen en geluidsbronnen, en on-chip optische interferometers zullen metingen mogelijk maken waardoor we de materiaalzuiverheid kunnen verbeteren, de lichtbron bewaken en berekeningen uitvoeren. uiteindelijk, we willen alle voordelen die kwantummechanica kan bieden voor computers en netwerken beter begrijpen en benutten."

Volgens Moody, de nieuwe technologie kan ook transformerende effecten hebben op gebieden zoals kant-en-klare kwantumlichtbronnen voor veilige communicatie, en voor het verkleinen van gewicht en stroomverbruik van klassieke fotonische apparaten zoals lasers en LED's.