Санкт-Петербург
  • Санкт-Петербург
  • Москва
  • Ростов-на-Дону
Коломяжский пр-кт, д. 33, корп. 2
напишите нам e-mail!

NTT разрабатывает квантовый источник света для квантового компьютерного чипа

NTT разрабатывает квантовый источник света для квантового компьютерного чипа

Исследователи из NTT разработали широкополосный высокопроизводительный квантовый источник света (источник сжатого света), который можно использовать для оптических квантовых компьютерных чипов, работающих при комнатной температуре.


Исследователи обнаружили, что сжатый свет имеет сжатый квантовый шум, который можно использовать для создания квантовой запутанности. Источник света может излучать сжатый свет с высокой пропускной способностью в широкой полосе пропускания. Источник света также может увеличивать тактовую частоту самого квантового компьютера, устанавливая курс для высокоскоростных квантовых вычислений.

NTT сообщает, что исследователям удалось сжать более 75% квантового шума с помощью высокопроизводительного нелинейного оптического волновода, изготовленного NTT, и высококачественной технологии оптического контроля и измерений Токийского университета.

Заглядывая в будущее, исследователи стремятся продемонстрировать создание крупномасштабных состояний запутывания и различных оптических квантовых операций для реализации универсальных квантовых компьютеров, использующих этот широкополосный сжатый свет.

Подробнее об этом ниже –

Высокопроизводительный квантовый источник света для оптического квантового компьютерного чипа.
Основные успехи в реализации крупномасштабной высокоскоростной универсальной квантовой оптической обработки при комнатной температуре.

Корпорация телеграфа и телефона Nippon (NTT, президент и генеральный директор: Джун Савада, Чиода-ку, Токио) в сотрудничестве с Токийским университетом (президент: Макото Гоноками, Бункё-ку, Токио) преуспела в реализации высокоэффективного квантового света источник (источник сжатого света) , который будет незаменим для будущих универсальных чипов оптической квантовой обработки, работающих при комнатной температуре. Сжатый свет имеет сжатый квантовый шум и может быть использован для создания квантовой запутанности. Сжатый источник света для чипа квантовой обработки должен выводить непрерывно-волновой широкополосный сжатый свет высокого уровня.
Сжатый свет генерируется возбуждающими нелинейно-оптическими кристаллами с подсветкой насоса. В обычных способах оптический резонатор используется для получения сжатого света высокого уровня. Однако структура полости ограничивает полосу пропускания сжатого света до нескольких гигагерц. Ожидается, что нелинейный оптический волновод, который может генерировать сжатый свет без оптического резонатора, будет полезен для генерации широкополосного сжатого света. Хотя нелинейный оптический волновод может обеспечить полосу пропускания терагерцового порядка, степень сжатия квантового шума составляла всего около 37% при непрерывном излучении света.
Нам удалось сжать более 75% квантового шума с помощью высокопроизводительного нелинейного оптического волновода, изготовленного NTT, и высококачественной технологии оптического контроля и измерений Токийского университета. Это значение превышает 65%, что является степенью сжатия, необходимой для создания двумерного состояния кластера , которое может выполнять любой вид квантовой обработки. Кроме того, сжатый свет показал полосу пропускания терагерцового порядка. Этот результат может уменьшить расстояние между летающими оптическими квантовыми битами примерно до 300 микрон и приведет к оптической квантовой обработке на оптических чипах, таких как разработанные NTT для приложений оптической связи. Также ожидается реализация высокоскоростного квантового компьютера, поскольку он может увеличить тактовую частоту вычислений.
Эти результаты будут опубликованы в виде «Избранной статьи» в американском научном журнале «APL Photonics» 30 марта 2020 года. Эта статья также выбрана в качестве основного события (Scilight) AIP (Американский институт физики). Это исследование было поддержано Исследовательской группой по продвижению стратегических исследований Японского научно-технического агентства (CREST).

Резюме

Мы разработали широкополосный высокопроизводительный квантовый источник света (источник сжатого света), который необходим для универсальных оптических квантовых компьютерных чипов, которые могут работать при комнатной температуре.

Широкий диапазон терагерцового порядка позволил сократить оптическую длину оптических квантовых битов примерно до 300 микрон, открывая возможность квантовых компьютеров на оптических чипах, подобных тем, которые NTT разработала для использования в оптической связи.

Этот источник света может также увеличить тактовую частоту самого квантового компьютера, поэтому ожидается высокоскоростное квантовое вычисление.

Фон

Квантовые компьютеры разрабатываются по всему миру, потому что они могут решать конкретные проблемы гораздо быстрее, чем обычные компьютеры. В частности, с целью реализации крупномасштабных универсальных квантовых вычислений растут ожидания для оптических квантовых компьютеров, которые используют квантовые вычисления на основе измерений. В этом методе двумерное состояние кластера готовится заранее для суперпозиции всех квантовых вычислений. Как только некоторые из кластерных кубитов измерены, оставшиеся кубиты подвергаются манипулированию и выполняются произвольные вычисления. В последнее время квантовая запутанность с более чем 10000 кубитами была достигнута при комнатной температуре с помощью мультиплексирования во временной области с интерферометрами с оптической линией задержки.
В этом методе сжатый свет используется в качестве квантового ресурса. В частности, широкополосный сжатый свет непрерывной волны позволяет нам определять кубиты с короткими интервалами на оси времени и полезен для увеличения состояния запутанности, ускорения обработки информации и сокращения оптической системы. Например, сжатый терагерцовым светом свет позволяет нам определить кубит с оптической длиной приблизительно 300 микрон, так что оптические линии задержки, необходимые для мультиплексирования во временной области, могут быть интегрированы в оптический чип. Это также позволяет работать с тактовой частотой, что ускоряет работу самого квантового компьютера.
Сжатый свет генерируется нелинейно-оптическими эффектами. Чтобы улучшить степень сжатия квантового шума, в оптическом резонаторе был установлен нелинейно-оптический кристалл для усиления нелинейно-оптического эффекта. Сжимаемость квантового шума более 97% была достигнута за счет улучшения структуры полости. Однако пропускная способность ограничена несколькими гигагерцами из-за структуры резонатора, что затрудняет использование полосы пропускания света с потенциальным терагерцовым порядком. Поэтому для широкополосного сжатого света необходимо генерировать сжатый свет, используя однопроходную конфигурацию без оптического резонатора. Поскольку нелинейная эффективность однопроходной конфигурации для непрерывной волны, как правило, является низкой, используется сильный нелинейный оптический эффект, обусловленный структурой волновода.

Результат исследования

Нам удалось разработать высокопроизводительный источник света с непрерывной волной, который будет необходим для реализации будущих универсальных оптических квантовых компьютерных чипов. Требуется, чтобы сжатый свет имел как широкую полосу пропускания, так и высокую сжимаемость шума, однако ни одно из исследований до сих пор не могло удовлетворить оба требования одновременно с непрерывно-волновым светом. Нелинейно-оптическое устройство, разработанное NTT, в настоящее время реализовало широкополосный и сжимаемый непрерывный квантовый источник света. Широкая полоса пропускания позволяет нам определять длину летающих оптических кубитов менее 300 мкм, что позволяет работать в оптическом чипе. В то же время также возможно увеличить тактовую частоту самого оптического компьютера. Кроме того, достигнутая на этот раз степень сжатия шума достаточна для генерации крупномасштабных состояний квантовой запутанности, что значительно ускорит будущие исследования и разработки оптических квантовых компьютеров.

Будущее развитие

Мы продемонстрируем генерацию крупномасштабных состояний запутывания и различных оптических квантовых операций для реализации универсальных квантовых компьютеров, использующих этот широкополосный сжатый свет. Кроме того, мы реализуем интегрированный чип оптической квантовой обработки, полностью использующий технологию оптического интегрированного устройства, разработанную в NTT для оптической связи.

Технические моменты

Для генерации сжатых состояний использовались различные методы, но было трудно добиться как широкополосного, так и высокоуровневого сжатия для непрерывного светового излучения. Для достижения высокого уровня сжатия требуется высокоэффективный нелинейно-оптический процесс. Во многих случаях нелинейные оптические кристаллы были установлены в оптических полостях для повышения их эффективности. Хотя этот метод достиг высокой степени сжатия квантового шума в 97% в 2016 году, ширина полосы сжатого света была узкой из-за конфигурации источника света на основе резонатора.
Здесь для широкополосного сжатого света ожидается однопроходный нелинейно-оптический процесс без структуры резонатора. Два метода часто использовались для получения высокоэффективного нелинейно-оптического процесса с однопроходной конфигурацией . В качестве света накачки используются ультракороткие импульсы с высокой пиковой мощностью. В этом способе широкополосный сжатый свет генерируется мгновенно, но скорость генерации ограничена коэффициентом заполнения ультракоротких импульсов. Следовательно, этот способ не приводит к сокращению линии задержки или улучшению тактовой частоты. Второй метод использует нелинейные оптические волноводы. Даже при однопроходном и непрерывном возбуждении эффект оптического удержания волноводной структуры позволяет усилить нелинейно-оптический эффект. Генерация сжатого света с использованием нелинейных оптических волноводов изучалась около 30 лет (примерно с 1990 года), и его сжимаемость квантового шума оставалась на уровне около 35%.
На сегодняшний день NTT разрабатывает волновод с периодически поляризованным ниобатом лития (PPLN) в качестве нелинейного оптического устройства для связи по оптоволокну. В настоящее время, используя наш разработанный волновод , мы достигли квантовой сжимаемости шума 75% для непрерывного светового излучения. Мы также подтвердили, что ширина полосы сжатого света была более 2 терагерц. Для измерения сжатого света мы использовали высокоточную технику контроля и обнаружения света Токийского университета .

глоссарий

* 1 сжатый свет

Сжатое состояние света. Одна квадратура сжатого состояния имеет меньший квантовый шум, чем шум когерентного состояния. Чтобы подчиниться соотношению неопределенности Гейзенберга, другая квадратура имеет больший квантовый шум, чем шум когерентного состояния.

* 2 Квантовый шум

Квантовый шум - это неизбежный шум, относящийся к соотношению неопределенности физических величин. Например, классический свет, то есть когерентный свет от лазера, имеет сравнимые квантовые шумы для обеих его квадратурных амплитуд. Этот шум известен как дробовой шум.

* 3 Квантово-запутанное состояние

Квантово-запутанное состояние - это физическое состояние, в котором пара или группа частиц имеют сильные корреляции друг с другом, даже когда частицы находятся на большом расстоянии. Квантовые состояния каждой частицы не могут быть описаны независимо. Квантовая запутанность является одной из важнейших особенностей квантовых технологий.

* 4 Нелинейный оптический кристалл

Нелинейный оптический кристалл - это оптический кристалл, показатель преломления которого изменяется в зависимости от интенсивности вводимого света. Используя эту функцию, мы можем управлять освещением другим источником света.

* 5 Состояние двумерного кластера

Двумерное кластерное состояние - это универсальное квантовое запутанное состояние, в котором могут быть реализованы любые виды квантовых вычислений. Это состояние является наиболее важным ресурсом для односторонних квантовых вычислений, которые реализуют универсальные квантовые операции. В 2019 г. проф. Проф. Двумерных кластеров с более чем 10000 кубитами был реализован.

 

QR cсылка

Ссылка на страницу