Kvantdatorer använder grunderna i kvantmekaniken för att potentiellt påskynda processen att lösa komplexa beräkningar. Anta att du behöver utföra uppgiften att söka efter ett specifikt nummer i en telefonbok. En klassisk dator söker igenom varje rad i telefonboken tills den hittar en matchning. En kvantdator skulle kunna söka i hela telefonboken samtidigt genom att bedöma varje rad samtidigt och returnera ett resultat mycket snabbare.

Skillnaden i hastighet beror på datorns basenhet för bearbetning av information. I en klassisk dator, den grundenheten kallas lite, en elektrisk eller optisk puls som representerar antingen 0 eller 1. En kvantdators grundenhet är en qubit, som kan representera flera kombinationer av värden från 0 och 1 samtidigt. Det är denna egenskap som kan göra det möjligt för kvantdatorer att påskynda beräkningar. Nackdelen med qubits är att de finns i ett bräckligt kvanttillstånd som är känsligt för omgivningsljud, såsom temperaturförändringar. Som ett resultat, att generera och hantera qubits i en kontrollerad miljö innebär betydande utmaningar för forskare.

UC Santa Barbara ingenjör Galan Moody, en biträdande professor i el- och datateknik, har föreslagit en lösning för att övervinna den dåliga effektiviteten och prestandan hos befintliga kvantberäkningsprototyper som använder ljus för att koda och bearbeta information. Optiska system är attraktiva eftersom de naturligt kopplar samman kvantberäkningar och nätverk i samma fysiska ram. Dock, befintlig teknik kräver fortfarande optiska operationer utanför kretsen, som drastiskt minskar effektiviteten, prestanda och skalbarhet. I sitt projekt, "Heterogen III-V/Silicon Photonics för allt-på-chip:Linjär optisk kvantberäkning, " Moody siktar på att skapa en optisk kvantberäkningsplattform där alla viktiga komponenter är integrerade på ett enda halvledarchip.

"Integrerade elektroniska kretsar möjliggjorde revolutionerande framsteg inom klassisk datoranvändning. Vårt mål är att skapa integrerade fotoniska kretsar som har samma inverkan på kvantberäkningar, sa Moody, som började på UCSB:s College of Engineering i höstas efter att ha tillbringat sex år vid National Institute of Standards and Technology som postdoktor och forskare. "Detta kan leda till en dramatisk förbättring av effektivitet och bearbetningshastighet och möjliggöra helt nya metoder för att bearbeta och överföra information med hjälp av ljus."

Moody's forskningsprojekt har nu fått ett betydande uppsving från det amerikanska flygvapnet. Han är en av 40 forskare i tidiga karriärer som valts ut till ett pris för unga utredare 2019 från Air Force Office of Scientific Research. Vinnare får $450, 000 under tre år för att stödja deras arbete. Programmet är avsett att främja forskning av unga forskare som stöder flygvapnets uppdrag att kontrollera och maximera utnyttjandet av luft, rymden och cyberrymden, samt relaterade utmaningar inom naturvetenskap och teknik.

"Det är en ära att vara bland denna grupp av talangfulla pristagare, och jag är tacksam för att jag blivit utvald, ", sa Moody. "Denna utmärkelse kommer att tillåta min forskargrupp att göra en mer meningsfull inverkan på det spännande och snabbt utvecklande kvantinformationslandskapet."

För att utveckla en helelektrisk, allt-på-chip kvantfotonisk plattform, Moody föreslår att integrera tre teknologier som har utvecklats för olika plattformar och applikationer. Komponenterna är elektriskt drivna kvantpunkts-enfotonkällor, kiselbaserad fotonik för optiska operationer, och supraledande nanotrådsdetektorer med en foton.

"Vi kommer att använda fysisk modellering för att vägleda designen och tillverkningen av enheten, " sa han. "Kvantoptisk spektroskopi kommer att ge oss insikt i materialegenskaper och bruskällor, och on-chip optiska interferometrar kommer att möjliggöra mätningar som gör att vi kan förbättra materialets renhet, övervaka ljuskällan och utföra beräkningar. I sista hand, vi vill bättre förstå och utnyttja alla fördelar som kvantmekaniken kan ge för datorer och nätverk."

Enligt Moody, den nya tekniken kan också få transformativa effekter inom områden som nyckelfärdiga kvantljuskällor för säker kommunikation, och för att minska storleken, vikt och strömförbrukning för klassiska fotoniska enheter som lasrar och lysdioder.