В плане разработки квантовых машин, способных конкурировать и преодолевать классические суперкомпьютеры в решении конкретных задач, научное сообщество сталкивается с двумя основными технологическими проблемами.
Первая – это способность создавать большие квантовые схемы, способные обрабатывать информацию в больших масштабах, а вторая – это способность создавать большое количество одиночных квантовых частиц, которые могут кодировать и распространять квантовую информацию через такие схемы.
Оба эти требования должны быть удовлетворены, чтобы разработать передовую квантовую технологию, способную превзойти классические машины.
Очень многообещающей платформой для решения таких задач является кремниевая квантовая фотоника. В этой технологии информация, переносимая фотонами, отдельными частицами света, генерируется и обрабатывается в кремниевых микрочипах.
Эти устройства направляют и управляют светом в нанометровом масштабе с помощью интегрированных волноводов – аналог оптических волокон в нанометровом масштабе.
Важно отметить, что изготовление фотонных чипов требует тех же технологий, которые используются для изготовления электронных микрочипов в полупроводниковой промышленности, что делает возможным изготовление квантовых схем в массовом масштабе.
В лаборатории квантовых инженерных технологий (QET) Бристольского университета команда недавно продемонстрировала кремниевые фотонные чипы, встраивающие квантовые интерферометры, состоящие почти из тысячи оптических компонентов, что на несколько порядков выше, чем это было возможно всего несколько лет назад.
Однако большой вопрос, который остался без ответа, заключался в том, могут ли эти устройства также производить количество фотонов, достаточно большое, чтобы выполнять полезные квантовые вычислительные задачи.
Исследование под руководством Бристоля, опубликованное сегодня в журнале Nature Physics, показывает, что на этот вопрос есть положительный ответ.
Изучая последние технологические разработки в кремниевой квантовой фотонике, команда продемонстрировала, что даже маломасштабные кремниевые фотонные схемы могут генерировать и обрабатывать ряд фотонов, беспрецедентных для интегральной фотоники.
Фактически, из-за недостатков в схеме, таких как потери фотонов, предыдущие демонстрации в интегральной фотонике в основном ограничивались экспериментами только с двумя фотонами, сгенерированными и обработанными на кристалле, и только в прошлом году было сообщено о четырехфотонных экспериментах с использованием сложной схемы.
В своей работе, улучшая дизайн каждого интегрированного компонента, команда показывает, что даже простые схемы могут производить эксперименты с восемью фотонами, что вдвое превышает предыдущий рекорд в интегрированной фотонике. Более того, их анализ показывает, что за счет увеличения сложности схемы, что является сильной стороной кремниевой платформы, возможны эксперименты с более чем 20 фотонами, режим, в котором ожидается, что фотонные квантовые машины превзойдут лучшие классические суперкомпьютеры.
В исследовании также исследуются возможные применения таких квантовых процессоров для фотоники в ближайшем будущем, вступающих в режим квантового преимущества.
В частности, изменив тип оптической нелинейности в чипе, они продемонстрировали, что кремниевые чипы могут использоваться для выполнения множества задач квантового моделирования, известных как проблемы дискретизации бозонов.
Для некоторых из этих протоколов, например для отбора проб гаусса бозона, эта новая демонстрация является первой в мире.
Команда также продемонстрировала, что, используя такие протоколы, кремниевые квантовые устройства смогут решать промышленно значимые задачи.
В частности, они показывают, как химическая проблема обнаружения колебательных переходов в молекулах, претерпевающих электронное преобразование, может быть смоделирована на устройствах нашего типа с использованием Gaussian Boson Sampling.
Ведущий автор доктор Стефано Пэзани из Центра нанонауки и квантовой информации Бристольского университета сказал: «Наши результаты показывают, что фотонные квантовые симуляторы, превосходящие классические суперкомпьютеры, представляют собой реалистичную краткосрочную перспективу для платформы кремниевой квантовой фотоники.
«Разработка таких квантовых машин может оказать революционное влияние на такие промышленно значимые области, как химия, молекулярное проектирование, искусственный интеллект и анализ больших данных.
"Приложения включают разработку более совершенной фармацевтики и разработку молекулярных состояний, способных более эффективно генерировать энергию."
Соавтор, д-р Раффаэле Сантагати, добавил: «Полученные результаты вселяют в нас уверенность в том, что новая веха квантовых машин, более быстрых, чем любые современные классические компьютеры, находится в пределах досягаемости интегрированной платформы квантовой фотоники.
«Хотя верно, что и другие технологии могут достичь такого режима, например, захваченные ионы или сверхпроводящие системы, фотонный подход имеет уникальное преимущество, заключающееся в том, что мы исследовали краткосрочные приложения.
Фотонный путь, хотя и опасный, установлен, и его очень стоит преследовать."
Профессор Энтони Лэйнг, доцент кафедры физики Бристоля, руководил проектом. Он сказал: «В четыре раза увеличив количество фотонов, генерируемых и обрабатываемых в одном и том же чипе, команда подготовила почву для расширения квантовых симуляторов до десятков фотонов, где сравнение производительности с сегодняшним стандартным вычислительным оборудованием становится значимым."