Sandia National Laboratories i Arizona State University ulepszają technologię kwantową poprzez miniaturyzację systemów optycznych do zintegrowanych mikrosystemów wielkości chipa.
Celem tego partnerstwa jest wykorzystanie zaawansowanej fotoniki do obliczenia kwantowe i bezpieczną komunikację, na co zwróciła uwagę nowa inicjatywa finansowana przez Quantum Collaborative.
Wspólne innowacje kwantowe
Sandia National Laboratories i Arizona State University, dwie wiodące instytucje badawcze, współpracują nad rozwojem technologii kwantowej poprzez kurczenie dużych systemów optycznych w kompaktowe, zintegrowane mikrosystemy.
Nils Otterstrom, fizyk z Sandia specjalizujący się w fotonice zintegrowanej, kieruje pracami nad miniaturyzacją tych układów optycznych. Ten przełom zapewnia zwiększoną wydajność i skalowalność w zastosowaniach od zaawansowanych obliczeń po bezpieczną komunikację.
„Zintegrowana fotonika wykorzystuje systemy optyczne działające w skali makro i przekształca je w mikroskalę” – powiedział Otterstrom, który uzyskał doktorat z fizyki stosowanej w Yale i dołączył do Sandii jako stypendysta Harry’ego S. Trumana. „W dziedzinie fotoniki zintegrowanej zajmujemy się opracowywaniem nowatorskich urządzeń i badaniem fizyki urządzeń, aby zapewnić wszystkie funkcje potrzebne do prowadzenia badań podstawowych i tworzenia mikrosystemów kwantowych nowej generacji. Światowej klasy możliwości produkcyjne i wysoki stopień dostosowywania, jakie mamy tutaj w Sandia w kompleksie Microsystems Engineering, Sciences and Applications complex (MESA), dają nam wyjątkową pozycję, dzięki której możemy wpływać na najnowocześniejszą naukę i technologię.
Zmiana w sieci kwantowej
Otterstrom współpracuje ze starszym dyrektorem Quantum Networking na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie Joe Lukensem. Lukens jest wiodącym ekspertem w dziedzinie wykorzystania częstotliwości światła do przenoszenia informacji kwantowej na potrzeby obliczeń kwantowych i systemów sieciowych.
Wysiłki te zostały niedawno sformalizowane w drodze nowej umowy o współpracy badawczo-rozwojowej finansowanej przez Quantum Collaborative. Quantum Collaborative zrzesza instytucje akademickie i badawcze – w tym laboratoria krajowe – w celu wspierania badań w zakresie informacji i technologii kwantowych, a także edukacji i rozwoju siły roboczej.
„Inspiracją dla Quantum Collaborative jest uznanie, że przyszłość jest kwantowa. Jeśli mamy odnieść sukces, nie mogą tego dokonać pojedynczy śledczy ani nawet pojedyncze instytucje; to po prostu nie będzie możliwe” – powiedział Lukens. „Współpraca to celowa sieć osób o podobnych poglądach, zainteresowanych rozwojem technologii informacji kwantowej. Jest to dla nas sposób na nawiązywanie kontaktów i współpracę”.
Stan Arizona finansuje Współpraca kwantowa a Arizona State University zarządza inicjatywą.
Przejście z systemów nieporęcznych na zintegrowane chipy
Przed zawarciem umowy z Sandią Lukens skupiał się na systemach światłowodowych w swoich pracach nad kwantowym przetwarzaniem informacji w oparciu o częstotliwości. Wyjaśnił, że kubity istnieją na różnego rodzaju platformach, w tym w fotonice.
„W podejściu częstotliwościowym twój kubit to a foton które mogą mieć jednocześnie dwie różne długości fal lub kolory światła” – powiedział Lukens. „Zero odpowiada jednemu kolorowi, a jedno drugiemu. To kodowanie jest korzystne w komunikacji kwantowej. Jest dobrze transmitowany w światłowodzie.”
Prace prowadzono wcześniej z wykorzystaniem komercyjnych komponentów fal świetlnych na stołach optycznych.
„Używamy dużych i nieporęcznych systemów. Mają duże straty fotonów, są bardzo drogie i zajmują dużo miejsca” – powiedział Lukens. „Myślę, że zrobiłem wszystko, co mogłem, z urządzeniami stołowymi w kodowaniu z przedziałem częstotliwości”.
Tutaj właśnie wchodzą w grę zasoby Sandii w zakresie zintegrowanej fotoniki.
„Sandia posiada jedną z najbardziej elastycznych odlewni na świecie, nie tylko w dziedzinie mikroelektroniki, ale także fotoniki” – powiedział Lukens, odnosząc się do kompleksu MESA. „Sandia może wyprodukować małe fotoniczne układy scalone, które mogą realizować te same możliwości, co stół optyczny o wymiarach dużego metra kwadratowego”.
Centrum Fotoniki Bezpieczeństwa Narodowego w Sandii oferuje szeroką gamę technologii komponentów i platform, z portfolio obejmującym ponad 50 wydanych patentów w dziedzinie zintegrowanej fotoniki.
Postęp w fotonice kwantowej
Przestrzenne rozdzielacze wiązek, które wychwytują fotony i rozdzielają je w dwóch kierunkach, są podstawowymi elementami fotoniki kwantowej.
„W tym paradygmacie kodowania częstotliwości musimy stworzyć specjalne typy rozdzielaczy wiązki, które zamiast tego pobierają jedną barwę światła i dzielą ją na dwa kolory” – powiedział Otterstrom. „To, co opracowaliśmy tutaj, w Sandii, we współpracy z zespołem profesora Petera Rakicha pod adresem Uniwersytet Yaleto bardzo wydajne, nowatorskie urządzenia modulatorów fazy.”
Urządzenia oparte są na podwieszanych falowodach krzemowych, które przenoszą fale świetlne i gigahercowe, generowane przez skointegrowane przetworniki elektromechaniczne z azotku glinu.
„Rezultatem są bardzo elastyczne struktury optomechaniczne, które akustooptycznie dzielą foton na wiele częstotliwości. Umożliwia to kwantowe przetwarzanie informacji w znacznie większej przestrzeni wymiarowej” – powiedział Otterstrom. „Można o tym pomyśleć, ponieważ kolor światła może w rzeczywistości przenosić informację kwantową”.
Perspektywy na przyszłość i zastosowania
Lukens powiedział, że jego celem jest przeniesienie prac z eksperymentów weryfikujących zasady do wdrażania w sieciach kwantowych.
„Aby to osiągnąć, potrzebujemy systemów o niższych stratach niż to, co możemy dziś osiągnąć za pomocą urządzeń komercyjnych, i potrzebujemy systemów, które są nieco tańsze” – powiedział Lukens. „Jeśli uda nam się zrealizować te możliwości na chipie, teraz mówimy o znacznie bardziej praktycznym i prawdopodobnym sposobie tworzenia sieci kwantowych”.
Otterstrom pomagał Lukensowi w zakupie komponentów, takich jak mikroskopy i mocowania optyczne, do wykorzystania fotonicznych układów scalonych zbudowanych przez firmę Sandia na stanowisku testowym w laboratorium uniwersyteckim.
Kamień milowy we współpracy kwantowej
Współpraca procentuje. W ramach programu badań laboratoryjnych Sandii przyznano 17 milionów dolarów na przyspieszenie prac zespołu w dziedzinie fotoniki kwantowej opartej na częstotliwościach. Finansowanie ma formę programu Grand Challenge o nazwie Error-Corrected Photonic Integrated Qubits, w skrócie EPIQ.
„Bez partnerstwa między Sandią a Uniwersytetem Stanowym w Arizonie prawdopodobnie nie zorganizowalibyśmy konkursu EPIQ Grand Challenge w jego obecnym kształcie i formie” – powiedział Paul Davids, główny badacz projektu. „Skontaktowanie się Nilsa z Joe Lukensem zapoczątkowało nasze pierwsze podejście do pomysłów związanych z kubitami fotonicznymi zakodowanymi częstotliwościowo. Jego przemyślane przywództwo w tej dziedzinie oraz wcześniejsza praca i wiedza Joe Lukensa mają kluczowe znaczenie dla EPIQ Grand Challenge”.
Otterstrom powiedział, że finansowanie umożliwi wdrożenie na dużą skalę i integrację fizyki urządzenia zbadanej w ramach wczesnej współpracy z Arizona State University w celu stworzenia użytecznego kubitu fotonicznego, który będzie można korygować błędy.
Wspieranie rozwoju technologii kwantowej
Oprócz udziału w Quantum Collaborative, Sandia oferuje możliwości prototypowania mikroelektroniki kompleksu MESA jako główny partner centrum Southwest Advanced Prototyping Hub. SWAP Hub, kierowany również przez Arizona State University, jest jednym z ośmiu ośrodków Microelectronics Commons w całym kraju. Wspólnota Microelectronics Commons jest finansowana na mocy ustawy CHIPS and Science Act uchwalonej przez Kongres w celu pobudzenia amerykańskiej konkurencyjności w przemyśle półprzewodników i zmniejszenia zależności od zagranicznych dostawców.
