Si prevede che il mercato dell'informatica quantistica raggiungerà i 65 miliardi di dollari entro il 2030, un argomento caldo per investitori e scienziati a causa del suo potenziale per risolvere problemi incomprensibilmente complessi.

La scoperta di farmaci ne è un esempio. Per comprendere le interazioni farmacologiche, un'azienda farmaceutica potrebbe voler simulare l'interazione di due molecole. La sfida è che ogni molecola è composta da poche centinaia di atomi, e gli scienziati devono modellare tutti i modi in cui questi atomi potrebbero disporsi quando vengono introdotte le rispettive molecole. Il numero di possibili configurazioni è infinito, più del numero di atomi nell'intero universo. Solo un computer quantistico può rappresentare, molto meno risolvere, così espansivo, problema di dati dinamici.

L'uso mainstream dell'informatica quantistica rimane a decenni di distanza, mentre i team di ricerca nelle università e nell'industria privata di tutto il mondo lavorano su diverse dimensioni della tecnologia.

Un gruppo di ricerca guidato da Xu Yi, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso la University of Virginia School of Engineering and Applied Science, ha scavato una nicchia nella fisica e nelle applicazioni dei dispositivi fotonici, che rilevano e modellano la luce per un'ampia gamma di usi, comprese le comunicazioni e l'informatica. Il suo gruppo di ricerca ha creato una piattaforma di calcolo quantistico scalabile, che riduce drasticamente il numero di dispositivi necessari per raggiungere la velocità quantistica, su un chip fotonico delle dimensioni di un centesimo.

Olivier Pfister, professore di ottica quantistica e informazione quantistica all'UVA, e Hansuek Lee, assistente professore presso il Korean Advanced Institute of Science and Technology, contribuito a questo successo.

Comunicazioni sulla natura ha recentemente pubblicato i risultati sperimentali del team, Un microcomb quantistico schiacciato su un chip. Due dei membri del gruppo di Yi, Zijiao Yang, un dottorato di ricerca studente di fisica, e Mandana Jahanbozorgi, un dottorato di ricerca studente di ingegneria elettrica e informatica, sono i co-primi autori del documento. Una sovvenzione del programma Engineering Quantum Integrated Platforms for Quantum Communication della National Science Foundation supporta questa ricerca.

L'informatica quantistica promette un modo completamente nuovo di elaborare le informazioni. Il tuo computer desktop o laptop elabora le informazioni in lunghe stringhe di bit. Un bit può contenere solo uno di due valori:zero o uno. I computer quantistici elaborano le informazioni in parallelo, il che significa che non devono attendere l'elaborazione di una sequenza di informazioni prima di poterne calcolare di più. La loro unità di informazione è chiamata qubit, un ibrido che può essere uno e zero allo stesso tempo. Una modalità quantistica, o qumode, copre l'intero spettro di variabili comprese tra uno e zero, i valori a destra della virgola decimale.

I ricercatori stanno lavorando su diversi approcci per produrre in modo efficiente l'enorme numero di qumode necessari per raggiungere velocità quantistiche.

L'approccio basato sulla fotonica di Yi è attraente perché anche un campo di luce è a spettro completo; ogni onda luminosa nello spettro ha il potenziale per diventare un'unità quantistica. Yi ipotizzò che impigliando campi di luce, la luce raggiungerebbe uno stato quantico.

Probabilmente hai familiarità con le fibre ottiche che forniscono informazioni tramite Internet. All'interno di ciascuna fibra ottica, laser di molti colori diversi vengono utilizzati in parallelo, un fenomeno chiamato multiplexing. Yi ha portato il concetto di multiplexing nel regno quantistico.

micro è la chiave del successo della sua squadra. UVA è un pioniere e un leader nell'uso del multiplexing ottico per creare una piattaforma di calcolo quantistico scalabile. Nel 2014, Il gruppo di Pfister è riuscito a generare più di 3, 000 modi quantistici in un sistema ottico di massa. Però, l'utilizzo di queste numerose modalità quantistiche richiede un ampio ingombro per contenere le migliaia di specchi, obiettivi e altri componenti che sarebbero necessari per eseguire un algoritmo ed eseguire altre operazioni.

"Il futuro del campo è l'ottica quantistica integrata, " ha detto Pfister. "Solo trasferendo esperimenti di ottica quantistica da laboratori di ottica protetti a chip fotonici compatibili con il campo sarà autentico la tecnologia quantistica sarà in grado di vedere la luce del giorno. Siamo estremamente fortunati ad aver potuto attrarre all'UVA un esperto mondiale di fotonica quantistica come Xu Yi, e sono molto eccitato dalle prospettive che questi nuovi risultati ci aprono".

Il gruppo di Yi ha creato una sorgente quantistica in un microrisonatore ottico a forma di anello, struttura di dimensioni millimetriche che avvolge i fotoni e genera un microcobe, un dispositivo che converte in modo efficiente i fotoni da lunghezze d'onda singole a multiple. La luce circola intorno all'anello per aumentare la potenza ottica. Questo accumulo di potenza aumenta le possibilità per i fotoni di interagire, che produce entanglement quantistico tra i campi di luce nel microcomb.

Attraverso il multiplexing, Il team di Yi ha verificato la generazione di 40 qumode da un singolo microrisonatore su un chip, dimostrando che il multiplexing delle modalità quantistiche può funzionare in piattaforme fotoniche integrate. Questo è solo il numero che sono in grado di misurare.

"Stimiamo che quando ottimizziamo il sistema, possiamo generare migliaia di qumode da un singolo dispositivo, " disse Yi.

La tecnica di multiplexing di Yi apre la strada al calcolo quantistico per le condizioni del mondo reale, dove gli errori sono inevitabili. Questo è vero anche nei computer classici. Ma gli stati quantistici sono molto più fragili degli stati classici.

Il numero di qubit necessari per compensare gli errori potrebbe superare il milione, con un aumento proporzionale del numero di dispositivi. Il multiplexing riduce il numero di dispositivi necessari di due o tre ordini di grandezza.

Il sistema basato sulla fotonica di Yi offre due vantaggi aggiuntivi nella ricerca del calcolo quantistico. Le piattaforme di calcolo quantistico che utilizzano circuiti elettronici superconduttori richiedono il raffreddamento a temperature criogeniche. Poiché il fotone non ha massa, i computer quantistici con chip fotonici integrati possono funzionare o dormire a temperatura ambiente. Inoltre, Lee ha fabbricato il microrisonatore su un chip di silicio utilizzando tecniche di litografia standard. Questo è importante perché implica che il risonatore o la sorgente quantistica possono essere prodotti in serie.

"Siamo orgogliosi di spingere le frontiere dell'ingegneria nel calcolo quantistico e accelerare la transizione dall'ottica di massa alla fotonica integrata, " Yi ha detto. "Continueremo a esplorare modi per integrare dispositivi e circuiti in una piattaforma di calcolo quantistico basata sulla fotonica e ottimizzarne le prestazioni".