Przetwarzanie kwantowe staje się rzeczywistością
„To naprawdę interesujące czasy w dziedzinie fotoniki kwantowej”. Od trzech lat Peter Lodahl, kierownik grupy zajmującej się fotoniką kwantową na Uniwersytecie w Kopenhadze obserwuje trafiające na rynek elementy składowe pozwalające na budowę układów kwantowych i z nadzieją patrzy w najbliższą przyszłość. Z każdym nowym rozwiązaniem świat zbliża się bowiem do powszechnych komputerów kwantowych pierwszej generacji, komunikacji kwantowej oraz precyzyjnych czujników. W rzeczywistości jednak badacz nie zajmuje się wyłącznie obserwacją rynku – jego pracą jest nadzór nad grupą około 30 naukowców pracujących nad technologią fotoniki kwantowej. „Nasza grupa specjalizuje się w opracowywaniu deterministycznych i spójnych źródeł pojedynczych fotonów oraz interfejsów emiterów fotonów o jakości umożliwiającej ich skalowanie”, wyjaśnia. „Obecnie wykorzystujemy tę wiedzę i technologię dzięki implementacji rozwiązań fotonicznych w zaawansowanych urządzeniach pozwalających na przetwarzanie informacji kwantowych. Wielkimi krokami zbliżamy się do możliwości realizacji fotonicznych symulacji kwantowych i kwantowej fotonicznej sieci neuronowej, która wymaga hybrydowego połączenia naszej technologii z dostępnymi na rynku zaawansowanymi obwodami fotonicznymi. To właśnie na tym obszarze skupiają się obecnie badania”. Jednym z kluczowych projektów prowadzonych przez Lodahla jest stypendium VLS-QPP realizowane w ramach programu „Maria Skłodowska-Curie”. Celem projektu jest opracowanie nowej generacji kwantowej technologii optycznej dzięki jednoczesnemu opracowaniu rozwiązań sprzętowych i algorytmów, w oparciu o krzemową platformę fotoniczną.
Pionierskie kwantowe procesory fotoniczne
Jacques Carolan, stypendysta Global Fellowship programu „Maria Skłodowska-Curie” uważa, że celem projektu VLS-QPP jest uzupełnienie istniejących, klasycznych urządzeń poprzez dodanie do nich elementów kwantowych. „Choć komercyjne technologie, takie jak fotonika krzemowa, oferują niespotykaną skalę i złożoność, brakuje im możliwości kwantowych”. Z tego powodu w ramach projektu VLS-QPP powstaje nowa generacja wielkoskalowych kwantowych procesorów fotonicznych, co odbywa się dzięki rozszerzaniu istniejących, klasycznych technologii optycznych poprzez dodawanie do nich nowych elementów kwantowych. „Kluczowe technologie, które umożliwiają rozwój projektu, to źródła pojedynczych fotonów oraz spójne interfejsy emiterów fotonów. Te ostatnie pozwoliły nam na wykazanie możliwości realizacji fotonicznych operacji nieliniowych z dokładnością w skali pojedynczych fotonów. To kluczowa technologia i dotychczas brakujący element umożliwiający budowę fotonicznych bramek kwantowych, dzięki któremu możliwa jest realizacja zarówno komputerów kwantowych, jak i komunikacji kwantowej”, wyjaśnia Lodahl. Główną innowacją opracowaną w ramach projektu VLS-QPP jest wykorzystanie technologii planarnej do sprzęgania fotonów z obwodami nanofotonicznymi. W przeciwieństwie do większości innych podejść wykorzystujących pionowe struktury, przy pomocy których fotony są sprzęgane poza układem, technologia planarna oferuje skalowalność, pozwalając na budowę zaawansowanych obwodów fotonicznych, w ramach których poszczególne funkcje i możliwości mogą być integrowane bezpośrednio na układzie. „Opracowana przez nasz zespół technologia jest obecnie komercjalizowana przez założoną przez naszą grupę spółkę Sparrow Quantum”, mówi Lodahl.
Teoria staje się rzeczywistością
Kluczem do sukcesu projektu VLS-QPP jest ścisłe powiązanie teorii i doświadczeń. „Opracowywany przez nas sprzęt jest tylko tak dobry, jak dobre są algorytmy i protokoły, które na nim uruchamiamy”, wyjaśnia Carolan. „Z tego powodu opracowaliśmy szereg nowych metod sterowania na potrzeby wielkoskalowych kwantowych systemów fotonicznych, a jednocześnie stworzyliśmy zestaw aplikacji na potrzeby nowej dziedziny kwantowego uczenia maszynowego”. Głównym wkładem projektu VLS-QPP w dziedzinę fotoniki kwantowej jest rozwój procesorów kwantowych na niespotykaną dotąd skalę. Dobiegający końca we wrześniu 2020 roku projekt położył również podwaliny pod skalowalne fotoniczne komputery kwantowe i zaowocował szeregiem publikacji naukowych. Nowatorski procesor kwantowy opracowany przez naukowców może mieć znaczący wpływ na technologie obliczeniowe i uczenie maszynowe, stanowiąc podstawę nowej, skalowalnej i wydajnej platformy sprzętowej, dzięki której możliwe będzie wdrażanie w niedalekiej przyszłości zupełnie nowej rodziny algorytmów kwantowych. Rezultaty projektu znajdą zastosowanie w trzech kluczowych sektorach – naukach medycznych, gdzie posłużą do badania procesów biochemicznych w celu odkrywania nowych leków; bezpieczeństwie danych, gdzie pozwolą na rozwój i wdrażanie nowych i bezpiecznych architektur dystrybucji kluczy kwantowych oraz wzmacniaczy kwantowych; a także w kwantowym uczeniu maszynowym, dzięki bezpośredniemu wnioskowaniu na podstawie sygnałów optycznych. Lodahl jest przekonany, że doprowadzi to do powstania nowych możliwości rynkowych w zakresie rozwiązań kwantowych oraz w innych obszarach.
Słowa kluczowe
VLS-QPP, fotonika kwantowa, procesor, foton, sieć neuronowa, algorytmy