Технологічна платформа для фотонних квантових обчислень

Технологічна платформа для фотонних квантових обчислень

Давно відомо, що корисні квантові комп'ютери вимагатимуть корекції помилок для відмовостійкої роботи, а отже, порядку мільйонів фізичних кубітів. Завдяки малошумності, фотони використовувалися для реалізації багатьох фундаментальних демонстрацій квантових явищ: суперпозиції, заплутаності, логічних вентилів тощо. Однак, великомасштабні фотонні квантові обчислення досі були неможливі через складність реалізації.

З моменту появи перших пропозицій щодо стійких до помилок оптичних квантових комп'ютерів було зрозуміло, що для будь-якої корисної системи знадобиться дуже велика кількість фотонних компонентів. Крім того, щоб задовольнити вимоги щодо виправлення помилок, ці компоненти повинні працювати за межами сучасного стану звичайної інтегрованої фотоніки, а також повинні виходити за межі типової бібліотеки фотоніки, вводячи нестандартні пристрої, зокрема високоефективні однофотонні детектори. Потреба у дуже великій кількості майже ідентичних пристроїв мотивує на виготовлення таких компонентів з використанням традиційних, великосерійних процесів виробництва напівпровідників. Крім того, ці пристрої повинні бути інтегровані в розгалужену систему, яка вимагає швидкої керуючої електроніки, потужного кріогенного охолодження для підтримки роботи надпровідних детекторів та високоточної мережі кубітів між модулями з низькими втратами.

У новій статті [1] група дослідників, об’єднана в групу PsiQuantum team, описує технологічний стек та основні структурні блоки для фотонних квантових обчислень, демонструючи ключові функції генерації, маніпулювання, виявлення та мережевого об'єднання кубітів, включаючи джерела однофотонних сигналів, надпровідні однофотонні детектори, інтегровані в хвилевод, підготовку та вимірювання станів одного кубіта (single-qubit state preparation and measurement, SPAM), міжчіпові кубітні з'єднання, двофотонну квантову інтерференцію та двокубітне злиття, все на телекомунікаційних довжинах хвиль (С діапазон - смуга довжин хвиль у ближньому інфрачервоному спектрі, яка використовується для передачі даних по оптичних волокнах, яка відповідає довжинам хвиль 1530-1565 нм). Це основні операції, необхідні для більшості підходів до фотонних квантових обчислень, включаючи квантові обчислення на основі злиття (fusion-based quantum computing, FBQC). Ці компоненти виготовлено на комерційному напівпровідниковому виробництві з використанням повністю інтегрованого 300-мм кремнієвого фотонного технологічного процесу, з усіма операціями на кристалі.

Для переходу в режим роботи з відмовостійкістю знадобиться технологічний стек з покращеною продуктивністю компонентів та додатковими функціональними можливостями. З цією метою дослідники розробили та представили компоненти наступного покоління з втратами в хвилеводі SiN на рівні 0,5 ± 0,3 дБ/м, розгалужувачами та схрещуваннями з втратами 0,5 ± 0,2 мдБ та 1,2 ± 0,4 мдБ, відповідно, та втратами на зв'язок між волокном та чіпом на рівні 52 ± 12 мдБ. Результати квантового бенчмаркінгу, представлені у статті, залежать від виявлення фотонів, а випромінювання фотонів є очікуваним, але недетермінованим. Щоб подолати недетермінізм у фотонних квантових обчисленнях, потрібен швидкий оптичний перемикач для мультиплексування. Дослідники запропонували технологію перемикачів на основі титанату барію (barium titanate, BTO) для цієї мети з втратами лише 0,33 ± 0,02 дБВ. Крім того, вони продемонстрували надійні джерела фотонів, здатні генерувати нерозрізненні фотони в діапазоні резонансного зсуву ±400 пм та інтегровані в хвилевод детектори з роздільною здатністю за кількістю фотонів з медіанною ефективністю для одного фотона 98,9% та роздільною здатністю до чотирьох фотонів. Разом ці нові та вдосконалені компоненти утворюють повний набір фотонних структурних блоків, що мають усі функції, необхідні для забезпечення майбутніх відмовостійких фотонних квантових обчислювальних систем.