Forskare från University of Bristol och Danmarks tekniska universitet har hittat ett lovande nytt sätt att bygga nästa generation av kvantsimulatorer som kombinerar ljus- och kiselmikrochips.

I färdplanen för att utveckla kvantmaskiner som kan konkurrera och övervinna klassiska superdatorer för att lösa specifika problem, det vetenskapliga samfundet står inför två huvudsakliga tekniska utmaningar.

Den första är förmågan att bygga stora kvantkretsar som kan bearbeta informationen i massiv skala, och den andra är förmågan att skapa ett stort antal enkla kvantpartiklar som kan koda och sprida kvantinformationen genom sådana kretsar.

Båda dessa två krav måste uppfyllas för att utveckla en avancerad kvantteknik som kan övervinna klassiska maskiner.

En mycket lovande plattform för att hantera sådana utmaningar är kvantfotonik av kisel. I denna teknik, information som bärs av fotoner, enda ljuspartikel, genereras och bearbetas i kiselmikrochips.

Dessa enheter styr och manipulerar ljus i nanoskala med hjälp av integrerade vågledare-analog av optiska fibrer i nanometerskala.

Avgörande, tillverkning av fotoniska chips kräver samma tekniker som används för att tillverka elektroniska mikrochips i halvledarindustrin, möjliggör tillverkning av kvantkretsar i massiv skala.

I University of Bristols Quantum Engineering Technology (QET) Labs, teamet har nyligen demonstrerat kiselfotonchips som inbäddar kvantinterferometrar som består av nästan tusen optiska komponenter, storleksordningar högre än vad som var möjligt för bara några år sedan.

Dock, den stora frågan som förblev obesvarad var om dessa enheter också kunde producera ett antal fotoner som var tillräckligt stora för att utföra användbara kvantberäkningsuppgifter. Den Bristol-ledda forskningen, publiceras idag i tidningen Naturfysik , visar att denna fråga har ett positivt svar.

Genom att utforska den senaste tekniska utvecklingen inom kiselkvantfotonik, teamet har visat att även småskaliga fotoniska kretsar av kisel kan generera och bearbeta ett antal fotoner utan motstycke i integrerad fotonik.

Faktiskt, på grund av brister i kretsen såsom fotonförluster, tidigare demonstrationer i integrerad fotonik har mestadels begränsats till experiment med endast två fotoner genererade och bearbetade på chip, och bara förra året, fyra-foton-experiment rapporterades med hjälp av komplexa kretsar.

I arbetet, genom att förbättra utformningen av varje integrerad komponent, laget visar att även enkla kretsar kan producera experiment med upp till åtta fotoner, dubbelt så mycket som det tidigare rekordet i integrerad fotonik. Dessutom, deras analys visar att genom att skala upp kretsens komplexitet, vilket är en stark förmåga hos kiselplattformen, experiment med mer än 20 fotoner är möjliga, en regim där fotoniska kvantmaskiner förväntas överträffa de bästa klassiska superdatorer.

Studien undersöker också möjliga tillämpningar för sådana kvantprocessorer på kort sikt för fotonik som går in i en kvantfördel.

Särskilt, genom att omkonfigurera typen av optisk icke-linjäritet i chipet, de visade att kiselchips kan användas för att utföra en mängd olika kvantsimuleringsuppgifter, känd som bosonprovtagningsproblem.

För några av dessa protokoll - till exempel provtagningen i Gaussian Boson-den här nya demonstrationen är en världsnyhet.

Teamet visade också att använder sådana protokoll, kvantanordningar av kisel kommer att kunna lösa industriellt relevanta problem. Särskilt, de visar hur det kemiska problemet med att hitta vibrationsövergångarna i molekyler som genomgår en elektronisk transformation kan simuleras på vår typ av enheter som använder Gaussian Boson Sampling.

Ledande författare Dr Stefano Paesani från University of Bristols centrum för nanovetenskap och kvantinformation, sade:"Våra fynd visar att fotoniska kvantsimulatorer som överträffar klassiska superdatorer är en realistisk kortsiktig möjlighet för kiselkvantfotonikplattformen.

"Utvecklingen av sådana kvantmaskiner kan ha potentiellt banbrytande effekter på industriellt relevanta områden som kemi, molekylär design, artificiell intelligens, och analys av big data.

"Tillämpningar inkluderar design av bättre läkemedel och konstruktion av molekylära tillstånd som kan generera energi mer effektivt."

Medförfattaren Dr Raffaele Santagati tillade:"De resultat som erhållits gör oss säkra på att milstolpen för kvantmaskiner snabbare än alla nuvarande klassiska datorer är inom räckhåll för den integrerade kvantfotonikplattformen.

"Även om det är sant att även annan teknik har förmågan att nå en sådan regim, till exempel instängda joner eller supraledande system, fotonikmetoden har den unika fördelen att vi har de kortsiktiga applikationer som vi undersökt. Den fotoniska vägen, även om det är farligt, är inställd, och är mycket värt att fortsätta. "

Professor Anthony Laing, Docent i fysik i Bristol, övervakat projektet. Han sa:"Vid fyrdubbling av antalet fotoner som både genereras och bearbetas i samma chip, laget har satt scenen för att skala upp kvantsimulatorer till tiotals fotoner där prestandajämförelser med dagens vanliga datorhårdvara blir meningsfulla. "