De markt voor kwantumcomputing zal naar verwachting in 2030 $ 65 miljard bereiken, een hot topic voor zowel investeerders als wetenschappers vanwege het potentieel om onbegrijpelijk complexe problemen op te lossen.

Het ontdekken van medicijnen is daar een voorbeeld van. Om geneesmiddelinteracties te begrijpen, een farmaceutisch bedrijf wil misschien de interactie van twee moleculen simuleren. De uitdaging is dat elk molecuul is samengesteld uit een paar honderd atomen, en wetenschappers moeten alle manieren modelleren waarop deze atomen zich kunnen rangschikken wanneer hun respectieve moleculen worden geïntroduceerd. Het aantal mogelijke configuraties is oneindig - meer dan het aantal atomen in het hele universum. Alleen een kwantumcomputer kan vertegenwoordigen, veel minder oplossen, zo'n uitgestrekte, dynamisch dataprobleem.

Het reguliere gebruik van kwantumcomputing blijft tientallen jaren verwijderd, terwijl onderzoeksteams in universiteiten en de particuliere sector over de hele wereld werken aan verschillende dimensies van de technologie.

Een onderzoeksteam onder leiding van Xu Yi, assistent-professor elektrische en computertechniek aan de University of Virginia School of Engineering and Applied Science, heeft een niche gecreëerd in de fysica en toepassingen van fotonische apparaten, die licht detecteren en vormen voor een breed scala aan toepassingen, waaronder communicatie en computergebruik. Zijn onderzoeksgroep heeft een schaalbaar quantum computing-platform gecreëerd, wat het aantal apparaten dat nodig is om kwantumsnelheid te bereiken drastisch vermindert, op een fotonische chip ter grootte van een cent.

Olivier Pfister, hoogleraar kwantumoptica en kwantuminformatie bij UVA, en Hansuek Lee, assistent-professor aan het Korean Advanced Institute of Science and Technology, bijgedragen aan dit succes.

Natuurcommunicatie publiceerde onlangs de experimentele resultaten van het team, Een geperste kwantummicrokam op een chip. Twee van Yi's groepsleden, Zijiao Yang, een doctoraat student natuurkunde, en Mandana Jahanbozorgi, een doctoraat student elektrotechniek en computertechniek, zijn de co-eerste auteurs van het papier. Een subsidie ​​van het Engineering Quantum Integrated Platforms for Quantum Communication-programma van de National Science Foundation ondersteunt dit onderzoek.

Quantum computing belooft een geheel nieuwe manier van informatieverwerking. Uw desktop- of laptopcomputer verwerkt informatie in lange reeksen bits. Een bit kan slechts één van twee waarden bevatten:nul of één. Quantumcomputers verwerken informatie parallel, wat betekent dat ze niet hoeven te wachten tot één reeks informatie is verwerkt voordat ze meer kunnen berekenen. Hun eenheid van informatie wordt een qubit genoemd, een hybride die tegelijkertijd één en nul kan zijn. Een kwantummodus, of qumode, omvat het volledige spectrum van variabelen tussen één en nul:de waarden rechts van de komma.

Onderzoekers werken aan verschillende benaderingen om efficiënt het enorme aantal qumodes te produceren dat nodig is om kwantumsnelheden te bereiken.

Yi's op fotonica gebaseerde benadering is aantrekkelijk omdat een lichtveld ook een volledig spectrum heeft; elke lichtgolf in het spectrum heeft het potentieel om een ​​kwantumeenheid te worden. Yi veronderstelde dat door velden van licht te verstrengelen, het licht zou een kwantumtoestand bereiken.

U bent waarschijnlijk bekend met de optische vezels die informatie via internet leveren. Binnen elke optische vezel, lasers van veel verschillende kleuren worden parallel gebruikt, een fenomeen dat multiplexing wordt genoemd. Yi droeg het multiplexconcept naar het kwantumrijk.

Micro is de sleutel tot het succes van zijn team. UVA is een pionier en leider in het gebruik van optische multiplexing om een ​​schaalbaar platform voor kwantumcomputers te creëren. In 2014, De groep van Pfister slaagde erin meer dan 3 te genereren, 000 kwantummodi in een optisch bulksysteem. Echter, het gebruik van zoveel kwantummodi vereist een grote voetafdruk om de duizenden spiegels te bevatten, lenzen en andere componenten die nodig zijn om een ​​algoritme uit te voeren en andere bewerkingen uit te voeren.

"De toekomst van het veld is geïntegreerde kwantumoptica, Pfister zei. "Alleen door kwantumoptica-experimenten over te zetten van beschermde optische laboratoria naar veldcompatibele fotonische chips zullen bonafide kwantumtechnologie het daglicht kunnen zien. We hebben het grote geluk dat we een wereldexpert in kwantumfotonica zoals Xu Yi, voor UVA hebben kunnen aantrekken, en ik ben erg enthousiast over de perspectieven die deze nieuwe resultaten voor ons openen."

Yi's groep creëerde een kwantumbron in een optische microresonator, een ringvormige, millimetergrote structuur die de fotonen omhult en een microcobe genereert, een apparaat dat efficiënt fotonen omzet van enkele naar meerdere golflengten. Licht circuleert rond de ring om optisch vermogen op te bouwen. Deze vermogensopbouw vergroot de kans dat fotonen op elkaar inwerken, die kwantumverstrengeling veroorzaakt tussen lichtvelden in de microkam.

Door middel van multiplexen, Yi's team verifieerde de generatie van 40 qumodes van een enkele microresonator op een chip, waaruit blijkt dat multiplexen van kwantummodi kan werken in geïntegreerde fotonische platforms. Dit is slechts het aantal dat ze kunnen meten.

"We schatten dat wanneer we het systeem optimaliseren, we kunnen duizenden qumodes genereren vanaf een enkel apparaat, ' zei Ji.

Yi's multiplextechniek opent een pad naar kwantumcomputing voor omstandigheden in de echte wereld, waar fouten onvermijdelijk zijn. Dit geldt zelfs in klassieke computers. Maar kwantumtoestanden zijn veel kwetsbaarder dan klassieke toestanden.

Het aantal qubits dat nodig is om fouten te compenseren, kan meer dan een miljoen bedragen, met een evenredige toename van het aantal apparaten. Multiplexing vermindert het aantal benodigde apparaten met twee of drie ordes van grootte.

Yi's op fotonica gebaseerde systeem biedt twee extra voordelen in de zoektocht naar kwantumcomputers. Kwantumcomputerplatforms die gebruik maken van supergeleidende elektronische schakelingen, moeten worden gekoeld tot cryogene temperaturen. Omdat het foton geen massa heeft, kwantumcomputers met fotonisch geïntegreerde chips kunnen op kamertemperatuur werken of slapen. Aanvullend, Lee vervaardigde de microresonator op een siliciumchip met behulp van standaard lithografietechnieken. Dit is belangrijk omdat het impliceert dat de resonator of kwantumbron in massa kan worden geproduceerd.

"We zijn er trots op de grenzen van engineering in quantum computing te verleggen en de overgang van bulkoptica naar geïntegreerde fotonica te versnellen, "Zei Yi. "We zullen manieren blijven onderzoeken om apparaten en circuits te integreren in een op fotonica gebaseerd kwantumcomputerplatform en de prestaties ervan te optimaliseren."