[ad_1]
Klea Dhimitri
Inżynier ds. zastosowań, Hamamatsu Corporation
Jaki obraz pojawia się w Twojej głowie, gdy słyszysz słowa „technologia kwantowa”?
A co z „komputerem kwantowym”?
Istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo, że myślisz o złotym żyrandolu, który często znajduje się w lodówce o dużym rozcieńczeniu, a który gracze komputerów kwantowych, tacy jak IBM i Google, używają do chłodzenia i obsługi nadprzewodzącego kubitu. Istnieje jednak jedna podstawowa technologia, która jest często pomijana, gdy mówimy o komputerach kwantowych – a jest nią fotonika. Dr Bob Sutor, który spędził ponad dwie dekady w IBM Research w Nowym Jorku, pracując i kierując wysiłkami IBM w zakresie obliczeń kwantowych, bardzo dobrze zna duże cyrostaty. Obecnie dr Sutor jest wiceprezesem i głównym rzecznikiem kwantowym w Infleqtion, gdzie podczas jednego z wydarzeń stwierdził:
„Fotonika jest ogromna. Fotonika jest rdzeniem przyszłej infrastruktury kwantowej i bez dobrego rozwoju przemysłu fotonicznego, który obniżyłby koszty i rozmiary, na przykład fotonicznych układów scalonych, nic z tych rzeczy nie będzie działać poza maszynami wielkości zabawek, które są od siebie odłączone”. [1].
Niniejszy artykuł ma na celu rzucenie światła na to, w jaki sposób fotonika umożliwia obecnie wiele obszarów w powstających dziedzinach kwantowych, takich jak obliczenia kwantowe, komunikacja kwantowa & sieci i czujniki kwantowe, a także poruszenie wyzwań i możliwości, które stoją przed nami.
Krajobraz technologii kwantowej można podzielić na wiele sposobów, ale w tym artykule podzielimy tę dziedzinę na cztery filary: 1) Obliczenia kwantowe & Symulacja 2) Komunikacja kwantowa & Sieci 3) Metrologia kwantowa & Wykrywanie i 4) Badania podstawowe. Podrozdziały w ramach każdego filaru, które wykorzystują fotonikę, są zaznaczone na żółto na rysunku 1. Rysunek ilustruje, że ponad 2/3rd dziedzinie wykorzystuje fotonikę, a fotonika odgrywa ważną rolę w krajobrazie technologii kwantowej.
Rysunek 1: Przegląd filarów technologii kwantowej, w których wykorzystanie fotoniki jest zaznaczone na żółto.
Rola fotoniki w obliczeniach kwantowych & symulacja
Naukowcy badają różne modalności kubitów w celu stworzenia uniwersalnego, odpornego na błędy komputera kwantowego, ale w przypadku kilku modalności kubitów fotonika stanowi rdzeń ich zestawu narzędzi. Fotonika ma szeroki zakres możliwości, takich jak zdolność do stosowania operacji bramkowania, zamykania atomów w macierzy i wykrywania stanów kubitów (0 lub 1) poprzez fluorescencję w słabym świetle lub jej brak z uwięzionych jonów lub neutralnych atomów. Modalności kwantowe, takie jak fotoniczne obliczenia kwantowe, wykorzystują foton do maksimum, wykorzystując właściwość fotonu do skonstruowania kubitu. Wizja fotonicznych obliczeń kwantowych obejmuje cały stół optyczny, od źródeł światła, przez optykę, po detektory fotonów na chipie [2].
Skalowanie i wierność są głównymi czynnikami rozwoju komponentów fotonicznych w modalnościach kubitowych, takich jak uwięzione jony, neutralne atomy i kubity fotoniczne.
Obecna infrastruktura potrzebna do obsługi małego łańcucha dziesiątek jonów zajmuje zazwyczaj dwa stoły optyczne [4]. Rozwój komponentów fotonicznych, takich jak fotoniczne układy scalone (PIC), jest interesujący dla twórców uwięzionych jonów, na przykład dlatego, że może pomóc uczynić tę modalność bardziej skalowalną. Połączenie większej liczby jonów, podczas gdy każdy z nich jest precyzyjnie kontrolowany, może pomóc w skalowaniu procesora bez konieczności skalowania dużej, uciążliwej infrastruktury [7].
Rysunek 2: Układ uwięzionych jonów z laboratorium Blatta
Rola fotoniki w komunikacji kwantowej & tworzenie sieci
Foton jest wypróbowanym i przetestowanym nośnikiem przesyłania informacji na duże odległości, jak widać w klasycznych sieciach komunikacji optycznej. Atrakcyjność fotonu w komunikacji kwantowej i sieciach kwantowych polega na tym, że qubit może podróżować na duże odległości [6] , a także powiadamiać użytkowników o podsłuchiwaniu. Urządzenia takie jak kwantowe generatory liczb losowych (QRNG), które wytwarzają prawdziwie losowe klucze używane w kwantowych protokołach komunikacyjnych, mogą być realizowane przy użyciu źródeł światła i detektorów, a także w sieci kwantowej. [5].
Kwantowa dystrybucja kluczy i sprzęt sieci kwantowej również opierają się na fotonice, takiej jak lasery wzbudzające lub pompujące dla źródeł fotonów emitujących fotony na przykład w światłowodach oraz detektory od detektorów pojedynczych fotonów do fotodiod wykrywających je na odbiorczym końcu światłowodu.
Lądowe sieci kwantowe są ograniczone odległością ze względu na straty w światłowodach i brak repeaterów kwantowych. Sieci kosmiczne i satelitarne są ograniczone aperturą i stratami dyfrakcyjnymi. Głównym motorem rozwoju komponentów fotonicznych do komunikacji kwantowej jest zachowanie fotonów na duże odległości.
Rysunek 3: Różne rodzaje sieci kwantowych
Rola fotoniki w metrologii kwantowej & wykrywanie
Dziedzina metrologii i sensoryki kwantowej koncentruje się na dokładnym sondowaniu środowiska pod względem pomiarów, takich jak pola elektryczne, magnetyczne i grawitacyjne, a także czasu i pozycjonowania. Informacje mierzone przez czujniki kwantowe mogą być przekazywane za pomocą fluorescencji. W przypadku magnetometru opartego na wakansach azotu (NV), różne intensywności fluorescencji odnoszą się do siły obecnych pól magnetycznych. Głównymi czynnikami wpływającymi na rozwój komponentów fotonicznych do czujników kwantowych są rozmiar, waga, moc i tłumienie; koszt (SWaP-C) dla zastosowań w terenie.
Możliwości rynkowe dla fotoniki
Rynek systemów kwantowych nie jest obecnie wysoki, ale rynek komponentów fotonicznych jest wysoki i obiecujący. Ponad połowa kosztów materiałowych (BOM) systemów kwantowych przypada na lasery, podczas gdy reszta jest podzielona między detektory, modulatory i inne komponenty. Obecnie największy rynek komponentów fotonicznych znajduje się w obszarze badań, szacowany na 171 milionów dolarów dla laserów i 33 miliony dolarów dla komponentów fotonicznych, które obejmują detektory, modulatory i inne komponenty. Przewiduje się, że od 2025 r. i później komponenty fotoniczne do produktów kwantowych wytwarzanych przez producentów OEM będą większe niż komponenty fotoniczne wykorzystywane w badaniach naukowych [8].
Wyzwania fotoniki w technologiach kwantowych
Jednym z wyzwań fotonicznych dla technologii kwantowych jest budowa źródeł pojedynczych fotonów, które zawierają wszystkie pożądane cechy dla zastosowań takich jak kwantowa dystrybucja kluczy i niektóre formy fotonicznych obliczeń kwantowych [9]. Fotoniczne układy scalone (PIC) są postrzegane jako święty Graal technologii kwantowej. Jednak układy PIC nadal wiążą się z kilkoma wyzwaniami, takimi jak umieszczenie wszystkich elementów optycznych, w tym laserów i detektorów, na chipie, a także koszt linii produkcyjnej PIC. Te linie produkcyjne wymagają dużej objętości, aby utrzymać koszty na rozsądnym poziomie i nie jest jasne, czy zastosowania kwantowe będą się skalować, a jeśli tak, to kiedy. [10]
Ciągły rozwój komponentów fotonicznych będzie miał zasadnicze znaczenie w realizacji systemów kwantowych i budowaniu ich dla ery kwantowej 2.0.
Referencje
[1] Wideo Boba Sutora na YouTube. 6:28 do 6:56
[4] Jurcevic, P., Mandelbaum, R. (2021). Oto jak działają komputery kwantowe z pułapką jonową. The Quantum Aviary. [5] Jennifer Aldama, Samael Sarmiento, Ignacio H. López Grande, Stefano Signorini, Luis Trigo Vidarte i Valerio Pruneri, „Integrated QKD and QRNG Photonic Technologies”, J. Lightwave Technol. 40, 7498-7517 (2022)
[7] Niffenegger, R.J., Stuart, J., Sorace-Agaskar, C. et al. Zintegrowana kontrola wielu długości fali kubitu jonowego. Nature 586, 538-542 (2020).
[8] Tematys Photonics@Quantum: Raport dotyczący technologii dla systemów kwantowych (kwiecień 2022)
[9] OIDA, „Mapa drogowa fotoniki kwantowej OIDA: Liczy się każdy foton”, Optica Industry Report, 3 (2020)
[10] Davis.S et al. Piercing the Fog off Quantum-Enabling Laser Technology (QELT) A report based on a QED-C Enabling Technology Workshop. QED-C. (2018).
[ad_2]