Инженеры разработали мощный фотонный чип размером с монету

Американские инженеры создали маленький фотонный чип, который разделяет свет на разные волны для квантовых вычислений.

Исследование опубликовано в журнале Nature communication, передает сайт Университета штата Вирджиния в США.

Команда во главе с доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии Сюй Йи разработала новую технологию, которая должна ускорить развитие квантовых компьютеров. Кремниевый чип состоит из трех оптических микрорезонаторов, которые огибают фотоны и генерируют микрогребни для эффективного преобразования фотонов с одной длины волны в несколько. Ученые уже испытали систему и доказали, что она может работать в интегрированных фотонных платформах.

Квантовые вычисления обещают совершенно новый способ обработки информации. Как известно, квантовая частица, кубит, может одновременно быть и единицей, и нулем при кодировании информации. Команда Сюй Йи обратила внимание на оптические волокна, которые обеспечивают работу Интернета, передавая световые сигналы. Квантовый режим, или qumode, охватывает полный спектр переменных от единицы до нуля — значения справа от десятичной точки.

Исследователи предположили, что каждая волна светового спектра также может стать квантовой единицей, поэтому они решили разделять и запутывать волны, чтобы переводить их в квантовое состояние. Они воплотили свою идею в чипе размером с монету. Квантовый преобразователь состоит из оптического микрорезонатора — кольца диаметром около миллиметра, который захватывает фотоны. Свет заставили циркулировать по кольцу, увеличив оптическую силу и вероятность взаимодействия частиц. В результате между полями из света в микрогребенке появляется квантовая запутанность.

Использовав мультиплексирование — уплотнение канала связи для замедления потоков данных, физики получили 40 квантовых режимов. Количество кубитов, необходимых для компенсации ошибок, может превышать один миллион с пропорциональным увеличением количества устройств. Мультиплексирование сокращает количество необходимых устройств на два-три порядка.

"По нашим оценкам, когда мы оптимизируем систему, мы можем генерировать тысячи qumode с одного устройств", — сказал Йи.

Техника мультиплексирования Йи открывает путь к квантовым вычислениям для реальных условий, где ошибки неизбежны. Это верно даже для классических компьютеров. Но квантовые состояния гораздо более хрупкие, чем классические.

Количество кубитов, необходимых для компенсации ошибок, может превышать один миллион с пропорциональным увеличением количества устройств. Мультиплексирование сокращает количество необходимых устройств на 2-3 порядка.

Фотонный чип обладает двумя важными преимуществами в сфере квантовых вычислений. Во-первых, фотоны не имеют массы, а потому компьютеры на их основе не так сильно нагреваются, в отличие от электронных схем. Во-вторых, микросхема сделана из кремния с использованием стандартных методов литографии, поэтому такие компоненты можно производить серийно. Маленький размер является полезным бонусом.

"Мы гордимся тем, что расширяем границы инженерной мысли в области квантовых вычислений и ускоряем переход от объемной оптики к интегрированной фотонике. Мы продолжим изучать способы интеграции устройств и схем в платформу квантовых вычислений на основе фотоники и оптимизировать ее производительность", — добавила ведущий автор исследования.

Согласно прогнозам, к 2030 году рынок квантовых вычислений достигнет $65 млрд, что привлечет как ученых, так и коммерческих инвесторов. Для широкого распространения нового типа компьютеров, работающих в сотни раз эффективнее электронных, понадобится около 10-ти лет, однако инженеры пытаются ускорить процесс, разрабатывая новые технические решения.

Ранее Фокус рассказывал, как устроены квантовые компьютеры. Они могут надежно шифровать информацию и быстро решать задачи, на которые традиционным аппаратам потребуются годы.