Ученые разных стран трудятся над созданием квантового компьютера с 80-х годов прошлого века. Созданы десятки перспективных прототипов, но все они еще далеки от того идеала, что представляется исследователям в области квантовых вычислений. По мнению научного сообщества, оптический компьютер сможет обрабатывать гигантские массивы данных за считанные секунды. Такие операции, как поиск новых химических формул для лекарств, моделирование сложных киберфизических систем и производственных процессов, расчет столкновений частиц на ускорителях, потребуют не больше времени, чем нужно для запуска игры GTA на современном компьютере.
Основная трудность при разработке квантового устройства в нестабильности связи между сцепленными, или запутанными, фотонами, на которых оно работает. До сих пор оптические микросхемы не могли в поточном режиме генерировать и обрабатывать запутанные более чем в нескольких измерениях частицы – кудиты. Однако такой чип создали исследователи из Центра энергии, материалов и телекоммуникаций Национального научно-исследовательского института (INRS-EMT) в Квебеке и научных организаций Италии, Китая, Великобритании и России.
Созданием устройства руководил профессор INRS-EMT и Университета ИТМО в Санкт-Петербурге Роберто Морандотти (Roberto Morandotti). Работа также поддержана грантом Правительства РФ по программе ITMO Fellowship, в рамках которой канадский ученый преподает и ведет исследования в российском вузе.
«С новым чипом мы смогли генерировать многомерные квантовые системы, проще говоря, пары запутанных фотонов, способные находиться, по меньшей мере, в сотне состояний. Однако наш подход позволит легко расширить количество возможных состояний до 9000, что эквивалентно примерно двенадцати кубитам, которыми сейчас оперируют более сложные и дорогостоящие устройства», – сообщает Роберто Морандотти.
Разработка ученых представляет собой небольшой и дешевый в производстве оптический чип, созданный с помощью тех же методов, что используются в современной электронике. Для генерации пар запутанных фотонов на чипе расположены лазер и микрокольцевой резонатор. Для управления связанными квантовыми состояниями встроена система оптических фильтров.
Проходя по резонатору, лазерный луч, состоящий из нескольких волн с разными частотами, которые соответствуют разным частям спектра, симметрично расщепляется. Частоты, или цвета, фотонов оказываются связанными.
«На данный момент мы научились управлять десятью частотами. В системе из двух фотонов это обеспечило стомерность квантовых состояний. Повышая точность изготовления резонатора и электроники, отвечающей за разложение спектра, можно будет работать почти с сотней различных цветов. Именно такая тонкая настройка позволит нарастить число квантовых состояний системы», – продолжает Роберто Морандотти.
Чем больше характеристик двух фотонов сцеплено друг с другом, тем сильнее частицы связаны на фундаментальном уровне и тем выше информационная емкость единичных фотонов, скорость квантовых вычислений и стабильность сигнала. С этой точки зрения, кодирование квантовых состояний с помощью световых частот – перспективный подход.
Кроме того, технология совместима с существующими оптоволоконными сетями.
«Объединив на одном чипе генерацию многомерных запутанных фотонов с их сверхбыстрой обработкой, мы показали, что квантовыми системами можно управлять посредством стандартных телекоммуникационных элементов, таких как модуляторы и частотные фильтры. Это упростит развитие и распространение технологии», – подчеркивает Хосе Азана (José Azaña), соруководитель исследования, профессор INRS-EMT.
Статья: On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control (2017), Michael Kues, Christian Reimer, Piotr Roztocki, Luis Romero Cortés, Stefania Sciara, Benjamin Wetzel, Yanbing Zhang, Alfonso Cino, Sai T. Chu, Brent E. Little, David J. Moss, Lucia Caspani, José Azaña, and Roberto Morandotti, Nature, DOI: 10.1038/nature22986.
