Использование кремния, на базе которого построены практически все современные компьютерные чипы, позволяет упаковать на однокристальную схему сотни миллионов и миллиарды транзисторов. Этот же материал в будущем может стать основой и гораздо более мощных квантовых компьютеров, что наглядно продемонстрировали ученые из Национального университета оборонных технологий (National University of Defense Technology) в Чанше, Китай. Эти ученые недавно продемонстрировали кремниевый чип универсального квантового компьютера с двумя кубитами, основой которых являются фотоны света.
Отметим, что такие компании, как IBM, Intel и Google, уже давно работают над созданием собственных квантовых вычислительных систем. И можно сказать, что они в этом деле уже добились немалых успехов, количество кубитов в созданных квантовых компьютерах уже исчисляется десятками. В большинстве случаев основой этих кубитов являются проводники и другие элементы, изготовленные из сверхпроводящих материалов и охлажденные до сверхнизкой температуры, еще одним вариантом реализации кубитов являются ионы и нейтральные атомы, заключенные и изолированные от окружающей среды в специальных ловушках. При таком подходе и при увеличении числа кубитов на первый план выходит следующая проблема – несмотря на все предпринимаемые усилия, невозможно избежать полностью влияния окружающей среды на кубиты, что приводит к разрушению хрупкого квантового состояния и к потере информации.
“Фотонные кубиты лишены этого недостатка” – рассказывает Хайоганг Кьянг (Xiaogang Qiang), ведущий исследователь, – “Поэтому наша система может работать, находясь в устойчивом квантовом состоянии, гораздо дольше квантовых систем других типов. Современные технологии позволяют управлять фотонами света с очень высокой точностью и для этого можно использовать большинство кремниевых компонентов, которые были разработаны и созданы за все время специалистами электронной промышленности”.
Отметим, что создание кремниевого чипа фотонного квантового компьютера было произведено при участии ученых из университета Бристоля, Великобритания. Чип состоит из множества крошечных интерферометров, которые расщепляют фотоны света различными способами. Каждому из этих способов соответствует определенный волновод, наличию фотона в этом волноводе соответствует значение логической 1, а отсутствию фотона – логического 0. Отслеживание пути движения одного фотона позволяет определить путь второго фотона, запутанного с первым на квантовом уровне.
Квантовая информация кодируется в фотонах при помощи термо-оптических фазовращателей, которые управляются подаваемым на них электрическим потенциалом. “Различные параметры настройки фазовращателей позволяют управлять передачей фотонов в соответствующие интерферометры, что, в свою очередь, позволяет закодировать в кубитах различные квантовые состояния и выполнить при их помощи различные квантовые операции” – рассказывает Хайоганг Кьянг.
Для того, чтобы превратить созданный чип в полезную квантовую вычислительную систему, исследователям будет необходимо разработать и встроить в этот чип миниатюрный источник абсолютно идентичных запутанных фотонов. Помимо этого, сейчас имеются некоторые технические проблемы с созданием множества фазовращателей, расщепителей лучей и других оптических компонентов, которые должны иметь одинаковые характеристики и которые должны одинаково “обращаться” с фотонами разных типов.
“Тем не менее, мы показали, что кремниевая фотоника уже сейчас позволяет не только интегрировать множество компонентов в переделы весьма ограниченного пространства, но и обеспечивает их высокоточное функционирование” – рассказывает Хайоганг Кьянг, – “И, проведя некоторые модернизации разработанных нами технологий, мы откроем дорогу к созданию крупномасштабного кремниевого фотонного квантового процессора”.