Rewolucyjna technologia przenosi symulacje kwantowe na komputery stacjonarne
Symulacje kwantowe są kluczowym narzędziem do rozwiązywania złożonych problemów w fizyce, chemii i inżynierii, ale tradycyjne systemy wymagają ogromnych zasobów i ekstremalnych warunków. Finansowany ze środków UE projekt EPIQUS dokonał przełomowego kroku, opracowując kompaktowy, oparty na krzemie symulator kwantowy, który może pracować w temperaturze pokojowej.
Przełamywanie barier w symulacjach kwantowych
Fotoniczne symulatory kwantowe pozwalają badaczom modelować rzeczywiste scenariusze bez ponoszenia ryzyka i kosztów związanych z eksperymentami fizycznymi. Jednak integracja fotoniki i elektroniki w jednym chipie stanowi poważne wyzwanie. „Krzem stanowi podstawowy materiał na niskostratne obwody fotoniczne i wysokowydajne detektory. Jednak przy danej długości fali pojedynczy chip krzemowy nie może działać jednocześnie jako obwód falowodu optycznego, jak i detektor pochłaniający” — wyjaśnia Mher Ghulinyan, koordynator projektu EPIQUS. Aby temu zaradzić, zespół projektu EPIQUS połączył dojrzałą mikroelektronikę krzemową i kwantowo fotoniczne układy funkcyjne azotku krzemu, tworząc przełomową platformę. W rezultacie otrzymano symulator kwantowy pracujący w temperaturze pokojowej ze zintegrowanymi z chipem skalowalnymi detektorami lawinowymi pojedynczych fotonów (Si SPAD).
Przejście od nauki do praktyki
W ramach projektu zajęto się także kwestią użyteczności. W tym celu stworzono kompilator kwantowy, który umożliwia badaczom zdalny dostęp do symulatora i jego obsługę. „Użytkownik końcowy za pomocą interfejsu internetowego może uzyskać dostęp do sprzętu kwantowego, skonfigurować żądany eksperyment i uruchomić go na symulatorze kwantowym” — wyjaśnia Ghulinyan. Te możliwości rozszerzają potencjalne zastosowania symulatora poza naukę kwantową na dziedziny takie jak telekomunikacja i biofotonika. W ramach projektu EPIQUS zintegrowano obwody fotoniczne (PIC) na bazie azotku krzemu (SiN) z krzemowymi detektorami fotonów, aby osiągnąć wydajność przy długościach fal w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Azotek krzemu jest przezroczysty w zakresie od UV do podczerwieni. Zespół badawczy w trakcie prac nad obwodami kwantowymi na bazie SiN zoptymalizował fotoniczną integrację ze SPAD do pracy w temperaturze pokojowej.
Wytyczanie drogi dla branży
Projektowi EPIQUS udało się znaleźć równowagę pomiędzy najnowocześniejszymi badaniami i skalowalnością przemysłową. Zademonstrowano wykonalność platformy w skali wafla, wykazując jej zgodność z dotychczasowymi procesami produkcyjnymi CMOS. Przyszła optymalizacja może umożliwić transfer technologii do zastosowań przemysłowych, co uplasuje Europę w czołówce technologii kwantowych.
Przełomowy wpływ
Prototyp symulatora kwantowego EPIQUS w skali chipu stanowi skokowy postęp pod kątem dostępności. „Krótkoterminowo nasz projekt demonstracyjny zajmie się problemami kwantowymi i podda je znanym testom porównawczym. W dłuższej perspektywie umożliwi to badaczom i studentom zgłębianie koncepcji kwantowych za pomocą standardowego komputera” — wyjaśnia Ghulinyan. Innowacje uzyskane w ramach projektu stanowią obietnicę szerokich korzyści dla społeczeństwa. Sektory, w których istotną rolę pełnią symulacje, takie jak branża farmaceutyczna czy finansowa, mogłyby wykorzystać symulacje kwantowe do dokładniejszych prognoz dotyczących świata rzeczywistego. Projekt EPIQUS umożliwił stworzenie kompaktowych, energooszczędnych urządzeń, dzięki czemu zasypał lukę pomiędzy pionierską nauką kwantową a potrzebami przemysłu. Osiągnięcia projektu EPIQUS stanowią nowy punkt odniesienia dla nauki kwantowej, wspierając tym samym rozwój nowych technologii i zwiększając dostęp do zaawansowanych narzędzi symulacyjnych.
Słowa kluczowe
EPIQUS, symulator kwantowy, fotonika, obwody na bazie SiN, kompatybilność z CMOS, integracja kwantowa, skalowalna detekcja fotonów, Si SPAD
