Naukowcy opracowali rewolucyjną metodę wytwarzania splątań foton pary przy użyciu znacznie cieńszych materiałów, drastycznie zmniejszając rozmiar obliczenia kwantowe komponenty.
Ten przełom umożliwia prostsze i bardziej kompaktowe konfiguracje technologii kwantowych, potencjalnie przekształcając dziedziny od nauk o klimacie po farmaceutykę.
Przełom w obliczeniach kwantowych
Naukowcy dokonali odkrycia, które może sprawić, że obliczenia kwantowe będą bardziej kompaktowe, potencjalnie zmniejszając niezbędne komponenty 1000 razy, a jednocześnie wymagając mniej sprzętu.
Opracowywana obecnie klasa komputerów kwantowych opiera się na cząsteczkach światła, czyli fotonach, utworzonych w parach połączonych lub „splątanych” w żargonie fizyki kwantowej. Jednym ze sposobów wytwarzania tych fotonów jest naświetlanie laserem kryształów o grubości milimetra i użycie sprzętu optycznego, aby zapewnić połączenie fotonów. Wadą tego podejścia jest to, że jest zbyt duży, aby można go było zintegrować z chipem komputerowym.
Teraz naukowcy z Nanyang Technological University w Singapurze (NTU Singapore) znaleźli sposób na rozwiązanie problemu związanego z tym podejściem, wytwarzając połączone pary fotonów przy użyciu znacznie cieńszych materiałów o grubości zaledwie 1,2 mikrometra, czyli około 80 razy cieńszych niż pasmo włosów. Udało im się to bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu optycznego do utrzymania połączenia między parami fotonów, co uprościło ogólną konfigurację.
Innowacyjne metody
„Nasza nowatorska metoda tworzenia splątanych par fotonów toruje drogę do znacznie mniejszych źródeł kwantowego splątania optycznego, co będzie miało kluczowe znaczenie w zastosowaniach w informacji kwantowej i fotonicznych obliczeniach kwantowych” – powiedział profesor Gao Weibo z NTU, który kierował badaczami.
Dodał, że metoda ta mogłaby pozwolić na zmniejszenie rozmiarów urządzeń do zastosowań kwantowych, ponieważ wiele z tych urządzeń wymaga obecnie dużego i nieporęcznego sprzętu optycznego, którego ustawienie jest kłopotliwe, zanim zaczną działać.
Rewolucja w obliczeniach kwantowych
Oczekuje się, że komputery kwantowe zrewolucjonizują podejście do wielu wyzwań, począwszy od lepszego zrozumienia zmian klimatycznych po szybsze znajdowanie nowych leków poprzez wykonywanie złożonych obliczeń i szybkie znajdowanie wzorców w dużych zbiorach danych. Na przykład obliczenia, których wykonanie zajęłoby dziś superkomputerom miliony lat, komputery kwantowe mogą wykonać w ciągu kilku minut.
Oczekuje się, że tak się stanie, ponieważ komputery kwantowe wykonują wiele obliczeń jednocześnie, zamiast wykonywać je pojedynczo, jak standardowe komputery.
Bity kwantowe oparte na fotonach
Komputery kwantowe mogą to zrobić, wykonując obliczenia za pomocą maleńkich przełączników zwanych bitami kwantowymi lub kubitami, które mogą znajdować się jednocześnie w pozycji włączonej i wyłączonej. Przypomina to rzucanie monetą w powietrzu, przy czym wirująca moneta jest w stanie pomiędzy reszką a reszką. Natomiast standardowe komputery używają przełączników, które można włączyć lub wyłączyć w dowolnym momencie, ale nie obu.
Fotony można wykorzystać jako kubity w komputerach kwantowych do wykonywania szybszych obliczeń, ponieważ mogą mieć jednocześnie stany włączenia i wyłączenia. Jednak jednoczesne przebywanie w dwóch stanach ma miejsce tylko wtedy, gdy fotony powstają w parze, przy czym jeden foton jest połączony lub splątany z drugim. Ważnym warunkiem splątania jest to, że sparowane fotony muszą wibrować synchronicznie.
Jedną z zalet stosowania fotonów jako kubitów jest to, że można je wytwarzać i splątać w temperaturze pokojowej. Opieranie się na fotonach może zatem być łatwiejsze, tańsze i bardziej praktyczne niż wykorzystywanie innych cząstek, takich jak elektrony, które wymagają bardzo niskich temperatur zbliżonych do chłodu przestrzeni kosmicznej, zanim będą mogły zostać wykorzystane do obliczeń kwantowych.
Pokonywanie ograniczeń materiałowych
Naukowcy próbowali znaleźć cieńsze materiały, które umożliwiłyby wytwarzanie połączonych par fotonów, które można byłoby przekształcić w chipy komputerowe. Jednak jednym z wyzwań jest to, że gdy materiały stają się cieńsze, wytwarzają fotony ze znacznie mniejszą szybkością, co jest niepraktyczne w obliczeniach.
Ostatnie osiągnięcia wykazały, że obiecujący nowy materiał krystaliczny zwany dichlorkiem tlenku niobu, który ma unikalne właściwości optyczne i elektroniczne, może wydajnie wytwarzać pary fotonów pomimo swojej cienkości. Ale te pary fotonów są bezużyteczne dla komputerów kwantowych, ponieważ nie są splątane podczas produkcji.
Rozwiązanie znaleźli naukowcy z NTU pod kierownictwem profesora Gao z uniwersyteckiej Szkoły Inżynierii Elektrycznej i Elektronicznej oraz Szkoły Nauk Fizycznych i Matematycznych, we współpracy z profesorem Liu Zhengiem ze Szkoły Nauki i Inżynierii Materiałowej.
Skok kwantowy inspirowany tradycją
Rozwiązanie profesora Gao zostało zainspirowane ustaloną metodą tworzenia splątanych par fotonów z grubszych i bardziej masywnych materiałów krystalicznych, opublikowaną w 1999 r. Polega ona na ułożeniu razem dwóch płatków grubych kryształów i ustawieniu ziaren krystalicznych każdego płatka prostopadle do siebie.
Jednakże wibracje fotonów wytwarzanych w parze mogą nadal być niezsynchronizowane ze względu na sposób, w jaki przemieszczają się one w grubych kryształach po ich utworzeniu. Dlatego potrzebny jest dodatkowy sprzęt optyczny do synchronizacji par fotonów i utrzymania połączenia między cząsteczkami światła.
Profesor Gao wysunął teorię, że podobny układ dwóch kryształów można zastosować z dwoma cienkimi płatkami krystalicznymi dichlorku tlenku niobu o łącznej grubości 1,2 mikrometra w celu wytworzenia połączonych fotonów bez konieczności stosowania dodatkowych instrumentów optycznych.
Spodziewał się, że tak się stanie, ponieważ użyte płatki są znacznie cieńsze niż kryształy o większej masie z wcześniejszych badań. W rezultacie wytworzone pary fotonów pokonują mniejszą odległość w płatkach dichlorku tlenku niobu, dzięki czemu cząstki światła pozostają ze sobą zsynchronizowane. Eksperymenty przeprowadzone przez zespół NTU Singapore wykazały, że jego przeczucie było słuszne.
Ulepszona przyszłość obliczeń kwantowych
Profesor Sun Zhipei z fińskiego uniwersytetu Aalto, który specjalizuje się w fotonice i nie był zaangażowany w badania NTU, powiedział, że splątane fotony są jak zsynchronizowane zegary, które pokazują ten sam czas bez względu na odległość od siebie, co umożliwia natychmiastową komunikację.
Dodał, że opracowana przez zespół NTU metoda generowania splątanych fotonów kwantowych „stanowi poważny postęp, potencjalnie umożliwiający miniaturyzację i integrację technologii kwantowych”.
„To osiągnięcie ma potencjał w zakresie rozwoju obliczeń kwantowych i bezpiecznej komunikacji, ponieważ pozwala na tworzenie bardziej kompaktowych, skalowalnych i wydajnych systemów kwantowych” – powiedział profesor Sun, współgłówny badacz w Radzie ds. Badań Naukowych w fińskim Centrum Doskonałości w Technologii Kwantowej.
Zespół NTU planuje dalszą optymalizację projektu swojej konfiguracji, aby wygenerować jeszcze więcej połączonych par fotonów, niż jest to obecnie możliwe.
Niektóre pomysły obejmują zbadanie, czy wprowadzenie drobnych wzorów i rowków na powierzchni płatków dichlorku tlenku niobu może zwiększyć liczbę wytwarzanych par fotonów. W innym badaniu zbadane zostanie, czy układanie płatków dichlorku tlenku niobu z innymi materiałami może zwiększyć produkcję fotonów.
Odniesienie: „Inżynieria Van der Waalsa na rzecz generowania fotonów splątanych kwantowo” Leevi Kallioniemi, Xiaodan Lyu, Ruihua He, Abdullah Rasmita, Ruihuan Duan, Zheng Liu i Weibo Gao, 14 października 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01545-5
