Інженери розробили потужний квантовий чип розміром з монету

Американські інженери створили маленький фотонний чип, який розділяє світло на різні хвилі для квантових обчислень.

Дослідження опубліковане в журналі Nature communication, передає сайт Університету штату Вірджинія в США.

Команда на чолі з доцентом кафедри електротехніки та обчислювальної техніки Школи інженерії та прикладних наук Університету Вірджинії Сюй Йі розробила нову технологію, яка повинна прискорити розвиток квантових комп'ютерів. Кремнієвий чип складається з трьох оптичних мікрорезонаторів, які огинають фотони і генерують мікрогребені для ефективного перетворення фотонів з однієї довжини хвилі в кілька. Учені вже випробували систему і довели, що вона може працювати в інтегрованих фотонних платформах.

Квантові обчислення обіцяють абсолютно новий спосіб обробки інформації. Як відомо, квантова частинка, кубіт, може одночасно бути і одиницею, і нулем при кодуванні інформації. Команда Сюй Йі звернула увагу на оптичні волокна, які забезпечують роботу інтернету, передаючи світлові сигнали. Квантовий режим, або qumode, охоплює повний спектр змінних від одиниці до нуля — значення праворуч від десяткового дробу.

Дослідники припустили, що кожна хвиля світлового спектру також може стати квантовою одиницею, тому вони вирішили розділяти і заплутувати хвилі, щоб переводити їх у квантовий стан. Вони втілили свою ідею в чипі розміром з монету. Квантовий перетворювач складається з оптичного мікрорезонатора — кільця діаметром близько міліметра, який захоплює фотони. Світло змусили циркулювати по кільцю, збільшивши оптичну силу і ймовірність взаємодії частинок. У результаті між полями зі світла в мікрогребені з'являється квантова заплутаність.

Використавши мультиплексування — ущільнення каналу зв'язку для уповільнення потоків даних, фізики отримали 40 квантових режимів. Кількість кубітів, необхідних для компенсації помилок, може перевищувати один мільйон з пропорційним збільшенням кількості пристроїв. Мультиплексування скорочує кількість необхідних пристроїв на два-три порядки.

"За нашими оцінками, коли ми оптимізуємо систему, ми можемо генерувати тисячі qumode з одного пристроїв", — сказав Йі.

Техніка мультиплексування Йі відкриває шлях до квантових обчислень для реальних умов, де помилки неминучі. Це правильно навіть для класичних комп'ютерів. Але квантові стани набагато більш тендітні, ніж класичні.

Кількість кубітів, необхідних для компенсації помилок, може перевищувати один мільйон з пропорційним збільшенням кількості пристроїв. Мультиплексування скорочує кількість необхідних пристроїв на 2-3 порядки.

Фотонний чип має дві важливі переваги у сфері квантових обчислень. По-перше, фотони не мають маси, а тому комп'ютери на їхній основі не так сильно нагріваються, на відміну від електронних схем. По-друге, мікросхема зроблена з кремнію з використанням стандартних методів літографії, тому такі компоненти можна виробляти серійно. Маленький розмір є корисним бонусом.

"Ми пишаємося тим, що розширюємо кордони інженерної думки в галузі квантових обчислень і прискорюємо перехід від об'ємної оптики до інтегрованої фотоніки. Ми продовжимо вивчати способи інтеграції пристроїв і схем у платформу квантових обчислень на основі фотоніки та оптимізувати її продуктивність", — додала провідна авторка дослідження.

Згідно з прогнозами, до 2030 року ринок квантових обчислень досягне $65 млрд, що приверне як учених, так і комерційних інвесторів. Для широкого поширення нового типу комп'ютерів, що працюють у сотні разів ефективніше за електронні, знадобиться близько 10-ти років, однак інженери намагаються прискорити процес, розробляючи нові технічні рішення.

Раніше Фокус розповідав, як влаштовані квантові комп'ютери. Вони можуть надійно шифрувати інформацію і швидко вирішувати завдання, на які традиційним апаратам будуть потрібні роки.