Południowokoreańscy naukowcy opracowali przełomowy chip fotonicznego obwodu kwantowego, który może przyspieszyć światowy wyścig w obliczeniach kwantowych.
Ten chip, zdolny do kontrolowania do ośmiu fotonów, stanowi znaczący krok naprzód w manipulowaniu złożonymi zjawiskami kwantowymi, takimi jak splątanie wielocząstkowe.
Przełom w rozwoju fotonicznych obwodów kwantowych
Zespół południowokoreańskich badaczy osiągnął kamień milowy w opracowaniu zintegrowanego chipa obwodu kwantowego wykorzystującego fotony, czyli cząstki światła. Oczekuje się, że ten przełom wzmocni ich pozycję w światowych badaniach z zakresu obliczeń kwantowych.
The Instytut Elektroniki i Telekomunikacji (ETRI) ogłosił utworzenie fotonicznego układu scalonego zdolnego do kontrolowania ośmiu fotonów. Ten innowacyjny system umożliwia badaczom badanie złożonych zjawisk kwantowych, w tym splątania wielocząstkowego, które powstaje w wyniku interakcji między fotonami.
Osiąganie kamieni milowych w splątaniu kwantowym
Dzięki szeroko zakrojonym badaniom nad krzemowo-fotonicznymi obwodami kwantowymi ETRI z powodzeniem zademonstrował 2-kubitowe i 4-kubitowe splątanie kwantowe, osiągając rekordową wydajność w przypadku 4-kubitowego krzemowego chipa fotonicznego. Osiągnięcia te były efektem współpracy z KAIST i Uniwersytetu w Trydencie we Włoszech, a wyniki opublikowano w cenionych czasopismach Badania fotoniki I Fotonika APL.
W ramach dalszego postępu zespół ETRI zademonstrował niedawno splątanie 6-kubitowe przy użyciu chipa zaprojektowanego do kontrolowania kubitów 8-fotonicznych. Splątanie 6-kubitowe stanowi rekordowe osiągnięcie w stanach kwantowych oparte na chipie krzemowo-fotonicznym.
Obiecująca przyszłość fotonicznych komputerów kwantowych
Obwody kwantowe oparte na kubitach fotonicznych należą do najbardziej obiecujących technologii, które są obecnie przedmiotem aktywnych badań nad budową uniwersalnego komputera kwantowego. W maleńkim krzemowym chipie wielkości paznokcia można zintegrować kilka kubitów fotonicznych, a dużą liczbę tych maleńkich chipów można połączyć za pomocą włókien optycznych, tworząc rozległą sieć kubitów, umożliwiając realizację uniwersalnego komputera kwantowego. Fotoniczne komputery kwantowe oferują zalety pod względem skalowalności dzięki sieci optycznej, pracy w temperaturze pokojowej i niskiemu zużyciu energii.
Kubit fotoniczny można zakodować za pomocą pary ścieżek propagacji a fotonz jedną ścieżką przypisaną jako 0, a drugą jako 1. W przypadku obwodu 4-kubitowego wymaganych jest 8 ścieżek propagacji, a w przypadku 8 kubitów potrzeba 16 ścieżek. Stanami kwantowymi można manipulować za pomocą chipa fotonicznego, który obejmuje źródła fotonów, filtry optyczne i przełączniki liniowo-optyczne, a na koniec mierzyć je za pomocą bardzo czułych detektorów pojedynczych fotonów.
Układ o wielkości 8 kubitów zawiera 8 źródeł fotonicznych i około 40 przełączników optycznych kontrolujących ścieżki propagacji fotonów. Około połowa z tych 40 przełączników jest wykorzystywana specjalnie jako liniowo-optyczne bramki kwantowe. Konfiguracja zapewnia podstawowe ramy dla komputera kwantowego poprzez pomiar końcowych stanów kwantowych za pomocą detektorów pojedynczych fotonów.
Zespół badawczy zmierzył efekt Hong-Ou-Mandela, fascynujące zjawisko kwantowe, w którym dwa różne fotony wchodzące z różnych kierunków mogą interferować i podróżować razem tą samą ścieżką. W innym godnym uwagi eksperymencie kwantowym zademonstrowali stan splątany o wielkości 4 kubitów w układzie scalonym o wielkości 4 kubitów (5 mm x 5 mm). Niedawno rozszerzyli swoje badania do 8 eksperymentów fotonowych przy użyciu 8-kubitowego układu scalonego (10 mm x 5 mm). Naukowcy planują wyprodukować w tym roku chipy o wielkości 16 kubitów, a następnie skalować je do 32 kubitów w ramach trwających badań nad obliczeniami kwantowymi.
Rozwój i cele sprzętu Quantum
Yoon Chun-Ju, zastępca wiceprezesa działu badań kwantowych ETRI, powiedziała: „Planujemy udoskonalić naszą technologię sprzętu kwantowego na potrzeby rozwiązań chmurowych obliczenia kwantowe praca. Naszym głównym celem jest opracowanie systemu na skalę laboratoryjną, który wzmocni nasze możliwości badawcze w zakresie obliczeń kwantowych”.
Lee Jong-Moo z Sekcji Badań nad Obliczeniami Kwantowymi ETRI, który kierował tym osiągnięciem, stwierdził: „Badania nad praktycznym wdrożeniem komputerów kwantowych są bardzo aktywne na całym świecie. Jednak w dalszym ciągu potrzebne są szeroko zakrojone, długoterminowe badania, aby zrealizować praktyczne obliczenia kwantowe, zwłaszcza w celu przezwyciężenia błędów obliczeniowych spowodowanych szumem w procesach kwantowych”.
Odniesienie: „Generowanie i manipulacja stanami kwantowymi w programowalnym układzie czterech kubitów krzemowo-fotonicznych o wysokiej wierności i czystości” Jong-Moo Lee, Jiho Park, Jeongho Bang, Young-Ik Sohn, Alessio Baldazzi, Matteo Sanna, Stefano Azzini i Lorenzo Pavesi, 16 lipca 2024 r., Fotonika APL.
DOI: 10.1063/5.0207714
Badania nad chipami kwantowymi fotoniki krzemowej przeprowadzono w ramach wewnętrznego projektu badawczego nowej koncepcji ETRI „Eksploracja komputera kwantowego opartego na fotonice krzemowej” i są wspierane przez Koreańską Narodową Fundację Badań w ramach projektu rozwoju obliczeń kwantowych .
