Kvantdatormarknaden beräknas nå 65 miljarder dollar år 2030, ett hett ämne för både investerare och forskare på grund av dess potential att lösa obegripligt komplexa problem.

Drogupptäckten är ett exempel. För att förstå läkemedelsinteraktioner, ett läkemedelsföretag kanske vill simulera interaktionen mellan två molekyler. Utmaningen är att varje molekyl består av några hundra atomer, och forskare måste modellera alla sätt på vilka dessa atomer kan ordna sig när deras respektive molekyler introduceras. Antalet möjliga konfigurationer är oändligt – fler än antalet atomer i hela universum. Endast en kvantdator kan representera, mycket mindre lösa, en så vidsträckt, dynamiska dataproblem.

Allmän användning av kvantdatorer är fortfarande decennier borta, medan forskarlag vid universitet och privat industri över hela världen arbetar med olika dimensioner av tekniken.

En forskargrupp ledd av Xu Yi, biträdande professor i el- och datorteknik vid University of Virginia School of Engineering and Applied Science, har skapat en nisch i fysik och tillämpningar av fotoniska enheter, som upptäcker och formar ljus för en mängd olika användningsområden, inklusive kommunikation och datoranvändning. Hans forskargrupp har skapat en skalbar kvantberäkningsplattform, vilket drastiskt minskar antalet enheter som behövs för att uppnå kvanthastighet, på ett fotoniskt chip stort som ett öre.

Olivier Pfister, professor i kvantoptik och kvantinformation vid UVA, och Hansuek Lee, biträdande professor vid Korean Advanced Institute of Science and Technology, bidragit till denna framgång.

Naturkommunikation publicerade nyligen lagets experimentella resultat, En pressad kvantmikrokam på ett chip. Två av Yis gruppmedlemmar, Zijiao Yang, en Ph.D. student i fysik, och Mandana Jahanbozorgi, en Ph.D. student i el- och datateknik, är tidningens första författare. Ett anslag från National Science Foundations Engineering Quantum Integrated Platforms for Quantum Communication-program stöder denna forskning.

Quantum computing lovar ett helt nytt sätt att bearbeta information. Din stationära eller bärbara dator bearbetar information i långa strängar av bitar. En bit kan bara innehålla ett av två värden:noll eller ett. Kvantdatorer behandlar information parallellt, vilket innebär att de inte behöver vänta på att en sekvens av information ska bearbetas innan de kan beräkna mer. Deras informationsenhet kallas en qubit, en hybrid som kan vara ett och noll samtidigt. Ett kvantläge, eller qumode, spänner över hela spektrumet av variabler mellan ett och noll – värdena till höger om decimalkomma.

Forskare arbetar med olika tillvägagångssätt för att effektivt producera det enorma antal qumodes som behövs för att uppnå kvanthastigheter.

Yis fotonikbaserade tillvägagångssätt är attraktivt eftersom ett ljusfält också är fullt spektrum; varje ljusvåg i spektrumet har potential att bli en kvantenhet. Yi antog att genom att trassla in fält av ljus, ljuset skulle uppnå ett kvanttillstånd.

Du är förmodligen bekant med de optiska fibrerna som levererar information via internet. Inom varje optisk fiber, lasrar i många olika färger används parallellt, ett fenomen som kallas multiplexing. Yi förde multiplexeringskonceptet in i kvantvärlden.

Micro är nyckeln till hans lags framgång. UVA är en pionjär och ledande inom användningen av optisk multiplexering för att skapa en skalbar kvantberäkningsplattform. Under 2014, Pfisters grupp lyckades generera mer än 3, 000 kvantlägen i ett optiskt bulksystem. Dock, att använda så många kvantlägen kräver ett stort fotavtryck för att innehålla de tusentals speglar, linser och andra komponenter som skulle behövas för att köra en algoritm och utföra andra operationer.

"Fältets framtid är integrerad kvantoptik, ", sa Pfister. "Endast genom att överföra kvantoptikexperiment från skyddade optiklaboratorier till fältkompatibla fotonchip kommer bona fide kvantteknik kunna se dagens ljus. Vi är oerhört lyckligt lottade som har kunnat locka till UVA en världsexpert inom kvantfotonik som Xu Yi, och jag är väldigt exalterad över de perspektiv som dessa nya resultat öppnar för oss."

Yis grupp skapade en kvantkälla i en optisk mikroresonator en ringformad, millimeterstor struktur som omsluter fotonerna och genererar en mikrokob, en enhet som effektivt omvandlar fotoner från enstaka till flera våglängder. Ljus cirkulerar runt ringen för att bygga upp optisk kraft. Denna kraftuppbyggnad ökar chanserna för fotoner att interagera, som producerar kvantintrassling mellan ljusfält i mikrokammen.

Genom multiplexering, Yis team verifierade genereringen av 40 qumodes från en enda mikroresonator på ett chip, bevisar att multiplexering av kvantlägen kan fungera i integrerade fotoniska plattformar. Detta är bara det antal de kan mäta.

"Vi uppskattar att när vi optimerar systemet, vi kan generera tusentals qumodes från en enda enhet, " sa Yi.

Yis multiplexeringsteknik öppnar en väg mot kvantberäkning för verkliga förhållanden, där fel är oundvikliga. Detta gäller även i klassiska datorer. Men kvanttillstånd är mycket ömtåligare än klassiska tillstånd.

Antalet qubits som behövs för att kompensera för fel kan överstiga en miljon, med en proportionell ökning av antalet enheter. Multiplexering minskar antalet enheter som behövs med två eller tre storleksordningar.

Yis fotonikbaserade system erbjuder ytterligare två fördelar i kvantberäkningsuppdraget. Kvantberäkningsplattformar som använder supraledande elektroniska kretsar kräver kylning till kryogena temperaturer. Eftersom fotonen inte har någon massa, kvantdatorer med fotoniskt integrerade chips kan köra eller sova i rumstemperatur. Dessutom, Lee tillverkade mikroresonatorn på ett kiselchip med hjälp av standard litografitekniker. Detta är viktigt eftersom det innebär att resonatorn eller kvantkällan kan massproduceras.

"Vi är stolta över att tänja på gränserna för teknik inom kvantberäkning och påskynda övergången från bulkoptik till integrerad fotonik, "Yi sa. "Vi kommer att fortsätta att utforska sätt att integrera enheter och kretsar i en fotonikbaserad kvantberäkningsplattform och optimera dess prestanda."