A descoberta do chip fotônico abre um caminho para a computação quântica em condições do mundo real

A descoberta do chip fotônico abre um caminho para a computação quântica em condições do mundo real

Computação quântica futurista abstrata

Quantum Computing Platform acelera a transição de Bulk Optics para Integrated Photonics em um chip de silício menor que um centavo

o Computação quântica O mercado está projetado para chegar a US $ 65 bilhões até 2030, um tema quente para investidores e cientistas devido ao seu potencial para resolver problemas incompreensivelmente complexos.

A descoberta de medicamentos é um exemplo. Para entender as interações medicamentosas, uma empresa farmacêutica pode querer simular a interação de duas moléculas. O desafio é que cada molécula é composta de algumas centenas de átomos, e os cientistas devem modelar todas as maneiras pelas quais esses átomos podem se organizar quando suas respectivas moléculas são introduzidas. O número de configurações possíveis é infinito – mais do que o número de átomos em todo o universo. Apenas um computador quântico pode representar, muito menos resolver, um problema de dados tão expansivo e dinâmico.

O uso dominante da computação quântica ainda está a décadas de distância, enquanto equipes de pesquisa em universidades e na indústria privada em todo o mundo trabalham em diferentes dimensões da tecnologia.

Três microrressonadores ópticos

Este chip de silício contém três microresonadores ópticos que envolvem os fótons e geram uma microcombina para converter com eficiência fótons de comprimentos de onda únicos para múltiplos. A equipe de Yi verificou a geração de 40 qumodes de um único microrressonador, provando que a multiplexação de modos quânticos pode funcionar em plataformas fotônicas integradas. Crédito: Universidade da Virgínia

Uma equipe de pesquisa liderada por Xu Yi, professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Virgínia, conquistou um nicho na física e nas aplicações de dispositivos fotônicos, que detectam e moldam a luz para uma ampla gama de usos, incluindo comunicações e computação. Seu grupo de pesquisa criou uma plataforma de computação quântica escalável, que reduz drasticamente o número de dispositivos necessários para atingir a velocidade quântica, em um chip fotônico do tamanho de um centavo.

Olivier Pfister, professor de óptica quântica e informação quântica da UVA, e Hansuek Lee, professor assistente do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia Avançada, contribuíram para esse sucesso.

Nature Communications publicou recentemente os resultados experimentais da equipe, “A Squeezed Quantum Microcomb on a Chip”. Dois membros do grupo de Yi, Zijiao Yang, um Ph.D. estudante de física e Mandana Jahanbozorgi, uma Ph.D. estudante de engenharia elétrica e da computação, são os co-autores do artigo. Uma bolsa do programa Engineering Quantum Integrated Platforms for Quantum Communication da National Science Foundation apóia esta pesquisa.

Xu Yi

Uma equipe de pesquisa liderada por Xu Yi, professor assistente de engenharia elétrica e de computação da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Virgínia, conquistou um nicho na física e nas aplicações de dispositivos fotônicos, que detectam e moldam a luz para uma ampla gama de usos, incluindo comunicações e computação. Crédito: Universidade da Virgínia

A computação quântica promete uma forma inteiramente nova de processar informações. Seu desktop ou laptop processa informações em longas cadeias de bits. Um bit pode conter apenas um de dois valores: zero ou um. Os computadores quânticos processam informações em paralelo, o que significa que não precisam esperar que uma sequência de informações seja processada antes de poderem computar mais. Sua unidade de informação é chamada de qubit, um híbrido que pode ser um e zero ao mesmo tempo. Um modo quântico, ou qumode, abrange todo o espectro de variáveis ​​entre um e zero – os valores à direita da vírgula decimal.

Os pesquisadores estão trabalhando em diferentes abordagens para produzir com eficiência o enorme número de qumodes necessários para atingir velocidades quânticas.

A abordagem baseada em fotônica de Yi é atraente porque um campo de luz também tem espectro total; cada onda de luz no espectro tem o potencial de se tornar uma unidade quântica. Yi formulou a hipótese de que, ao emaranhar campos de luz, a luz alcançaria um estado quântico.

Você provavelmente está familiarizado com as fibras ópticas que fornecem informações pela Internet. Dentro de cada fibra óptica, lasers de muitas cores diferentes são usados ​​em paralelo, um fenômeno chamado multiplexação. Yi levou o conceito de multiplexação para o reino quântico.

Micro é a chave para o sucesso de sua equipe. A UVA é pioneira e líder no uso de multiplexação óptica para criar uma plataforma de computação quântica escalável. Em 2014, o grupo de Pfister conseguiu gerar mais de 3.000 modos quânticos em um sistema óptico em massa. No entanto, usar esses vários modos quânticos requer uma grande área ocupada para conter os milhares de espelhos, lentes e outros componentes que seriam necessários para executar um algoritmo e realizar outras operações.

“O futuro do campo é a óptica quântica integrada”, disse Pfister. “Somente transferindo experimentos de óptica quântica de laboratórios de óptica protegida para chips fotônicos compatíveis com o campo será genuíno a tecnologia quântica pode ver a luz do dia. Temos muita sorte de ter atraído para a UVA um especialista mundial em fotônica quântica, como Xu Yi, e estou muito animado com as perspectivas que esses novos resultados nos abrem. ”

O grupo de Yi criou uma fonte quântica em um microrressonador óptico, uma estrutura em forma de anel de tamanho milimétrico que envolve os fótons e gera uma microcombina, um dispositivo que converte fótons de forma eficiente de comprimentos de onda únicos em múltiplos. A luz circula pelo anel para aumentar a potência óptica. Esse acúmulo de energia aumenta as chances de os fótons interagirem, o que produz o emaranhamento quântico entre os campos de luz na microcombina. Por meio da multiplexação, a equipe de Yi verificou a geração de 40 qumodes de um único microrressonador em um chip, provando que a multiplexação de modos quânticos pode funcionar em plataformas fotônicas integradas. Este é apenas o número que eles podem medir.

“Estimamos que, ao otimizar o sistema, podemos gerar milhares de qumodes a partir de um único dispositivo”, disse Yi.

A técnica de multiplexação de Yi abre um caminho para a computação quântica para condições do mundo real, onde os erros são inevitáveis. Isso é verdade mesmo em computadores clássicos. Mas os estados quânticos são muito mais frágeis do que os estados clássicos.

O número de qubits necessários para compensar os erros pode exceder um milhão, com um aumento proporcional no número de dispositivos. A multiplexação reduz o número de dispositivos necessários em duas ou três ordens de magnitude.

O sistema baseado em fotônica de Yi oferece duas vantagens adicionais na busca da computação quântica. Plataformas de computação quântica que usam circuitos eletrônicos supercondutores requerem resfriamento a temperaturas criogênicas. Como o fóton não tem massa, os computadores quânticos com chips fotônicos integrados podem funcionar ou dormir em temperatura ambiente. Além disso, Lee fabricou o microrressonador em um chip de silício usando técnicas de litografia padrão. Isso é importante porque implica que o ressonador ou a fonte quântica podem ser produzidos em massa.

“Estamos orgulhosos de expandir as fronteiras da engenharia em computação quântica e acelerar a transição da óptica em massa para a fotônica integrada”, disse Yi. “Continuaremos a explorar maneiras de integrar dispositivos e circuitos em uma plataforma de computação quântica baseada em fotônica e otimizar seu desempenho.”

Crédito: “Uma microcomba quântica comprimida em um chip” por Zijiao Yang, Mandana Jahanbozorgi, Dongin Jeong, Shuman Sun, Olivier Pfister, Hansuek Lee e Xu Yi, 6 de agosto de 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-25054-z

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