fbpx
Назад
21 января, 2022

Ученые разрабатывают волоконно-связанный квантовый источник света для оптических квантовых компьютеров

Nippon Telegraph and Telephone Corporation в сотрудничестве с Токийским университетом и RIKEN разработала оптический волоконно-связанный квантовый источник света (сжатый источник света), который является ключевой технологией для реализации отказоустойчивого крупномасштабного универсального оптического квантового компьютера.

Квантовые компьютеры исследуются и разрабатываются во всем мире, потому что они способны к параллельной вычислительной обработке с использованием уникальных явлений квантовой механики, таких как состояния квантовой суперпозиции и состояния квантовой запутанности. В то время как рассматриваются различные методы, оптический квантовый компьютер, использующий фотоны, имеет много преимуществ. Например, он не требует низкотемпературного и вакуумного оборудования, требуемого другими методами, что делает его компактным. Кроме того, создавая мультиплексированное во временной области квантовое запутанное состояние, количество кубитов может быть легко увеличено без микроинтеграции схем или распараллеливания оборудования. Кроме того, высокоскоростная вычислительная обработка возможна благодаря широкополосной природе света. Кроме того, теоретически показано, что квантовая коррекция ошибок возможна с помощью непрерывных переменных света, которые используют четность фотонов, а не с помощью дискретных переменных, которые используют наличие или отсутствие фотонов. Этот метод имеет высокую совместимость с оптическими технологиями связи, такими как оптические волокна с низкими потерями и высокофункциональные оптические устройства, что делает значительный прогресс в построении универсальных крупномасштабных отказоустойчивых оптических квантовых компьютеров.

Для реализации оптических квантовых компьютеров одним из наиболее важных компонентов является квантовый источник света, генерирующий сжатый свет, который является источником квантовой природы в оптических квантовых компьютерах. В частности, очень желателен оптический волоконно-связанный квантовый источник света. Сжатый свет — это неклассический свет, который имеет четное количество фотонов и сжатый квантовый шум и используется для создания квантовой запутанности. Кроме того, сжатый свет играет чрезвычайно важную роль в квантовой коррекции ошибок, поскольку квантовая коррекция ошибок становится возможной благодаря использованию четности числа фотонов. Чтобы достичь крупномасштабного универсального отказоустойчивого оптического квантового компьютера, нам нужен сжатый источник света с волоконно-связанным с ним с высоко сжатым квантовым шумом и четностью числа фотонов, которая поддерживается даже в компонентах с высоким числом фотонов. Например, уровень сжатия более 65% требуется для генерации множественной квантовой запутанности во временной области (двумерных кластеризованных состояний), которые могут быть использованы для крупномасштабных квантовых вычислений. Однако такие устройства никогда не разрабатывались из-за сложности генерации сжатого света с высоким качеством.

В этом исследовании мы разработали новый оптический волоконно-связанный квантовый источник света, который работает на длинах волн оптической связи. Комбинируя его с компонентами оптического волокна, мы успешно генерируем непрерывный волновой сжатый свет с более чем 75% сжатым квантовым шумом с частотой боковой полосы более 6 ТГц даже в закрытой системе оптического волокна в первый раз. Это означает, что ключевое устройство в оптических квантовых компьютерах было реализовано в форме, совместимой с оптическими волокнами при сохранении широкополосной природы света. Это позволит разработать оптический квантовый компьютер в стабильной и необслуживаемой системе с использованием оптических волокон и оптических устройств связи. Это значительно ускорит разработку крупномасштабных оптических квантовых компьютеров размером со стойку.

Результаты этого исследования должны быть опубликованы в американском научном журнале Applied Physics Letters 22 декабря 2021 года (по американскому времени). Эта статья также была выбрана в качестве статьи «Выбор редактора». Часть этого исследования была поддержана Японским агентством по науке и технике (JST) Moonshot Research and Development Program.

Фон

Исследования и разработки по внедрению универсального квантового компьютера активно ведутся во всем мире. Недавно сообщалось о квантовых вычислениях с использованием около 100 физических кубитов с использованием сверхпроводящих схем. Однако для реализации отказоустойчивого универсального квантового компьютера требуется около миллиона физических кубитов. Поэтому увеличение количества кубитов стало серьезной проблемой в квантовых вычислениях. Чтобы реализовать миллион кубитов сверхпроводящими схемами или захваченными ионами, были приняты подходы к увеличению числа кубитов путем интеграции его элементов и распараллеливания оборудования.

С другой стороны, оптический квантовый компьютер, как ожидается, будет способен к чрезвычайно крупномасштабным универсальным квантовым вычислениям, которые используют метод мультиплексирования во временной области и квантовые манипуляции, вызванные измерением, что совершенно отличается от обычных методов. В методе мультиплексирования во временной области мы делим непрерывно летающий свет на временные сегменты и размещаем информацию на разделенных световых импульсах. С помощью этого метода мы можем легко увеличить количество кубитов на оси времени без увеличения размеров оборудования. Кроме того, теоретически показано, что квантовая коррекция ошибок возможна с использованием четности числа фотонов и непрерывных переменных света.

Используя оптическое волокно с низкими потерями в качестве среды распространения для летающих оптических кубитов, крупномасштабные квантовые запутанные состояния смогут генерироваться свободно и стабильно в сочетании с оптическими устройствами связи. В частности, имея только четыре сжатых источника света, два оптических волокна разной длины (оптические линии задержки) и пять светоделителей, могут быть сгенерированы крупномасштабные двумерные кластерные состояния, необходимые для универсальных квантовых вычислений. Это подход, который не обязательно требует интеграции или крупномасштабного оборудования и позволяет реализовать универсальные квантовые вычисления в реалистичном масштабе оборудования стойки, тогда как методы, использующие сверхпроводящие схемы или захваченные ионы, требуют интеграции элементов или распараллеливания оборудования. Кроме того, этот метод позволяет проводить высокоскоростные вычисления, используя преимущества высокой частоты света. Это означает, что могут быть реализованы не только высокоскоростные квантовые алгоритмы, но и их тактовые частоты могут быть высокими, что делает оптические квантовые компьютеры конечной высокоскоростной технологией обработки информации.

До сих пор мы демонстрировали различные оптические квантовые операции для реализации этого оптического квантового компьютера с использованием пространственной оптической системы, состоящей из множества зеркал, выровненных с высокой точностью. Это делается для того, чтобы свести к минимуму оптические потери света и максимально усилить интерференцию между светом. Однако, если зеркала смещены даже незначительно, желаемые характеристики не будут достигнуты, и путь света пришлось перестраивать для каждого эксперимента. По этим причинам для реализации практического использования оптических квантовых компьютеров необходимо использовать оптическую систему, закрытую для оптического волновода, такую как оптическая интегральная схема или оптическое волокно, которое обладает отличной эксплуатационной стабильностью и не требует обслуживания.

В частности, самым фундаментальным элементом в оптических квантовых компьютерах является сжатый свет. Этот неклассический свет имеет сжатый квантовый шум амплитуды или фазы волны, который представляет собой некоммутативную пару физических величин. Поскольку этот свет трудно генерировать и легко ухудшается из-за оптических потерь, свет от сжатого источника света, связанного оптическим волокном, имеет тенденцию быть плохим. В частности, более 65% сжатого света, который необходим для генерации мультиплексированного во временной области крупномасштабного квантового запутанного состояния (двумерных кластерных состояний), не было реализовано с закрытой конфигурацией оптического волокна.

Технический прогресс

Мы разработали квантовый модуль источника света с низкой корабельной связью (оптический параметрический модуль усиления). Мы добились низких потерь, обновив метод изготовления периодически поледного волновода ниобата лития (PPLN), который является основной частью модуля. Модуль был собран как модуль с низкими потерями, связанный оптическим волокном, с использованием метода сборки оптических устройств связи, который культивировал NTT. При подключении компонентов оптического волокна мы успешно измерили сжатый свет, в котором квантовый шум сжимается до более чем 75% с полосой пропускания более 6 ТГц. Это означает, что квантовые состояния, необходимые для оптических квантовых вычислений, могут быть сгенерированы и измерены даже в полностью закрытой системе в оптических волокнах. Таким образом, разработанный волоконно-связанный квантовый источник света позволит реализовать стабильный и необслуживаемый оптический квантовый компьютер в реалистичном масштабе, что значительно ускорит дальнейшее развитие.

В этом эксперименте мы использовали новый метод, в котором первый модуль генерирует сжатый свет, а второй модуль преобразует оптическую квантовую информацию в классическую световую информацию. Оптический параметрический усилитель, разработанный в качестве источника света, используется в противоположном направлении для достижения оптического усиления, которое поддерживает четность числа фотонов. В отличие от обычного метода определения сбалансированного гомодина, этот метод измерения может усиливать и преобразовывать квантовый сигнал в классический оптический сигнал, не превращая его в электроны. Благодаря этому он обеспечивает чрезвычайно быстрые измерения. Эта технология может быть использована для реализации полностью оптических квантовых компьютеров в будущем и будет в значительной степени способствовать реализации полностью оптических квантовых компьютеров, которые работают на терагерцовых тактовых частотах и чрезвычайно быстры.

Будущие работы

В качестве первого шага мы разработаем оптический квантовый компьютер, состоящий из волоконно-оптических компонентов в сочетании с различными оптическими квантовыми операциями, которые мы разработали до сих пор. Кроме того, мы улучшим способность квантового источника света выжимать квантовый шум для реализации отказоустойчивого крупномасштабного универсального оптического квантового компьютера.

Поддержка этого исследования

Это исследование было поддержано Японским агентством по науке и технике (JST) Moonshot R&D Project, Moonshot Goal 6: «Реализация отказоустойчивого универсального квантового компьютера, который произведет революцию в экономике, промышленности и безопасности к 2050 году» (директор программы: Кацухиро Китагава, профессор, Высшая школа инженерных наук, Университет Осаки). Научно-исследовательский проект «Разработка крупномасштабных отказоустойчивых универсальных оптических квантовых компьютеров»(руководитель проекта: Акира Фурусава, профессор, Высшая инженерная школа, Токийский университет).

Комментарий руководителя проекта

До сих пор считалось, что интегральные схемы необходимы для реализации крупномасштабного квантового компьютера. Однако этот успех показывает, что интегральные схемы не нужны и что, используя разработанные модули и компоненты оптического волокна, мы можем реализовать крупномасштабный оптический квантовый компьютер. С этим достижением реализация крупномасштабного квантового компьютера стала реальностью, и можно сказать, что родилась технология, меняющая правила игры.