Вчені створили «універсальний перекладач» для квантових комп’ютерів

Прорив у розробці кремнію може забезпечити основу для глобального квантового інтернету. Дослідники з Університету Британської Колумбії запропонували рішення серйозної проблеми квантових мереж: пристрій, який може перетворювати мікрохвильові сигнали в оптичні сигнали і навпаки. Ця технологія може виступати універсальним перекладачем для квантових комп’ютерів, дозволяючи їм спілкуватися на великих відстанях. Вона може перетворювати до 95 відсотків сигналу майже без додаткового шуму та повністю поміщається на кремнієвий чіп — той самий матеріал, який використовується у звичайних комп’ютерах.

«Це як знайти перекладача, який правильно передає майже кожне слово, зберігає повідомлення цілісним і не додає фонового базікання», — каже автор дослідження Мохаммад Халіфа, який проводив дослідження під час своєї докторської дисертації на факультеті прикладних наук Університету Британської Колумбії та в Інституті квантової матерії Блуссона Університету Британської Колумбії.

«Найголовніше, що цей пристрій зберігає квантові зв’язки між віддаленими частинками та працює в обох напрямках. Без цього у вас були б лише дорогі окремі комп’ютери. З ним ви отримуєте справжню квантову мережу».

Як це працює

Квантові комп’ютери використовують мікрохвильові сигнали для обробки інформації. Однак, щоб передати цю інформацію через міста чи континенти, її необхідно перетворити на оптичні сигнали, які можуть проходити через оптоволоконні кабелі. Ці оптичні сигнали надзвичайно чутливі, і навіть невеликі збурення під час процесу перетворення можуть їх знищити.

Це створює серйозну проблему для підтримки заплутаності, ключового явища, від якого залежать квантові комп’ютери, коли дві частинки залишаються пов’язаними незалежно від того, наскільки далеко вони знаходяться одна від одної. Ейнштейн відомий тим, що назвав це «моторошною дією на відстані». Якщо заплутаність втрачається, то втрачається і квантова перевага. Пристрій, розроблений дослідниками UBC, описаний у npj Quantum Information, може підтримувати квантовий зв’язок на великих відстанях, зберігаючи заплутані зв’язки.

Розчин кремнію

Модель команди являє собою мікрохвильово-оптичний фотонний перетворювач, який можна виготовити на кремнієвій пластині. Прорив полягає в крихітних штучних дефектах – магнітних дефектах, навмисно вбудованих у кремній для контролю його властивостей. Коли мікрохвильові та оптичні сигнали точно налаштовані, електрони в цих дефектах перетворюють один сигнал на інший, не поглинаючи енергію, уникаючи нестабільності, яка є характерною для інших методів перетворення.

Пристрій також ефективно працює з надзвичайно низьким енергоспоживанням — лише мільйонні частки вата. Автори окреслили практичну конструкцію, яка використовує надпровідні компоненти, матеріали, що ідеально проводять електрику, поряд зі спеціально розробленим кремнієм.

Що далі

Хоча робота все ще є теоретичною, вона знаменує собою важливий крок у розвитку квантових мереж.

«Завтра ми не отримаємо квантового інтернету, але це усуває головну перешкоду», — каже старший автор дослідження доктор Джозеф Салфі, доцент кафедри електротехніки та обчислювальної техніки та головний дослідник в UBC Blusson QMI.

«Наразі надійне надсилання квантової інформації між містами залишається складним завданням. Наш підхід може це змінити: кремнієві перетворювачі можна було б створювати з використанням існуючої технології виготовлення мікросхем та легко інтегрувати в сучасну комунікаційну інфраструктуру».

Зрештою, квантові мережі можуть забезпечити практично незламну онлайн-безпеку, GPS , що працює в приміщенні, та можливість вирішувати проблеми, які сьогодні недоступні, такі як розробка нових ліків або прогнозування погоди з різко підвищеною точністю.