在现实世界开辟通往量子计算的道路

量子计算平台可以在比一美分还小的硅芯片上加速体光学到集成光子的转变

(ChinaIT.com讯)预计到 2030 年,量子计算市场将达到 650 亿美元,这是投资者和科学家们的热门话题,因为它有可能解决难以理解的复杂问题。

药物发现就是一个例子。为了了解药物的相互作用,制药公司可能想要模拟两种分子的相互作用。这个挑战在于,每个分子都是由几百个原子组成的,科学家必须模拟这些原子在引入各自的分子时可能排列的所有方式。可能的配置数量是无限的——比整个宇宙中的原子数量还多。只有量子计算机才能表示(更不用说解决)如此庞大的动态数据问题。

量子计算的主流应用还需要几十年的时间,而全球大学和私营企业的研究团队都在研究该技术的不同维度。

弗吉尼亚大学工程与应用科学学院电气与计算机工程助理教授 Xu Yi领导的研究团队在光子器件的物理学和应用领域占据了一席之地,光子器件可以检测和塑造光以用于包括通信和计算在内的广泛用途。他的研究小组在一个一美分大小的光子芯片上创建了一个可扩展的量子计算平台,大大减少了实现量子速度所需的设备数量。

弗吉尼亚大学量子光学和量子信息教授 Olivier Pfister 和韩国先进科技学院助理教授 Hansuek Lee 也做出了贡献。

《自然通讯》最近发表了该团队的实验结果:芯片上的压缩量子微梳 (A Squeezed Quantum Microcomb on a Chip)。Yi 的两名成员——物理学专业博士 Zijiao Yang 以及电气和计算机工程专业博士 Mandana Jahanbozorgi 是该论文的共同第一作者。美国国家科学基金会的量子通信工程量子集成平台项目资助了这项研究。

量子计算有望提供一种全新的信息处理方式。您的台式机或膝上型计算机以长串位的形式处理。一个位只能保存两个值之一:零或一。量子计算机并行处理信息,这意味着它们不必等待处理完一个信息序列就可以计算更多信息。它们的信息单位称为量子位,一种可以同时为 1 和 0 的混合体。量子模式(简称 qumode)跨越 1 和 0 之间的所有变量(小数点右侧的值)的全光谱。

研究人员正在研究不同的方法,以有效地产生实现量子速度所需的大量量子模式。

Yi 基于光子学的方法很有吸引力,因为光场也是全光谱的。光谱中的每个光波都有可能成为一个量子单元。Yi 假设通过纠缠光场,光将达到量子态。

您可能熟悉通过互联网传送信息的光纤。在每根光纤内,许多不同颜色的激光器并行使用,这种现象称为多路复用。Yi 将多路复用概念带入了量子领域。

微处理器是他团队成功的关键。弗吉尼亚大学是使用光复用技术创建可扩展量子计算平台的先驱和领导者。2014 年,Pfister 的团队成功地在体光学系统中产生了 3,000 多个量子模式。然而,使用这么多量子模式需要占用大量空间来包含运行算法和执行其他操作所需的数千个镜子、透镜和其他组件。

“该领域的未来是集成量子光学,”Pfister 说。“只有将量子光学实验从受保护的光学实验室转移到现场兼容的光子芯片,真正的量子技术才能看到曙光。我们非常幸运能够吸引到像 Xu Yi 这样的世界量子光子学专家来到弗吉尼亚大学,我对这些新结果为我们打开的前景感到非常兴奋。”

Yi 的团队在光学微谐振器中创建了一个环形、毫米大小的量子源,包裹着光子并产生微球体,这是一种可以有效地将光子从单个波长转换为多个波长的装置。光在环周围循环以增加光功率。这种能量的积累增加了光子相互作用的机会,从而在微梳中的光场之间产生量子纠缠。

通过多路复用,Yi 的团队验证了可以从芯片上的单个微谐振器生成 40 个量子模式,证明量子模式的复用可以在集成光子平台中工作。这只是他们能够衡量的数字。

Yi 表示:“估计当我们优化系统时,我们可以从单个设备生成数千个量子模式。”

Yi 的多路复用技术为现实世界的量子计算开辟了道路,在这种情况下,错误是不可避免的。即使在经典计算机中也是如此。但是量子态比经典态脆弱得多。

补偿错误所需的量子位数量可能超过一百万,设备数量也会相应增加。多路复用将所需的设备数量减少了两到三个数量级。

Yi 的基于光子学的系统在量子计算任务中提供了两个额外的优势。使用超导电子电路的量子计算平台需要冷却到低温。由于光子没有质量,带有光子集成芯片的量子计算机可以在室温下运行或休眠。此外,Lee 使用标准光刻技术在硅芯片上制造了微谐振器。这点很重要,因为这意味着可以批量生产谐振器或量子源。

“我们很自豪能够推动量子计算工程的前沿,并加速从体光学到集成光子学的转变,”Yi 说。“我们将继续探索在基于光子学的量子计算平台中集成设备和电路并优化其性能的方法。”

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