Новая метаповерхность создает масштабируемый квантовый источник света

Решение квантового света

Квантовые вычисления обещают многое: от решения задач, которые иначе невозможно выполнить, и потенциального взлома всех существующих форм шифрования на этом пути до создания сверхэффективных компьютеров с точки зрения энергопотребления.

Если бы квантовые компьютеры стали достаточно мощными, они могли бы полностью произвести революцию в медицине благодаря мгновенному расчету трехмерной конфигурации белка, материаловедению, моделированию климата и даже обучение ИИ.

Вероятнее всего, связь между квантовыми чипами и квантовыми компьютерами будет осуществляться посредством использования элементарных частиц света: фотонов.

Точнее, запутанные фотоны, где они взаимодействуют друг с другом посредством квантовых эффектов, даже будучи разделенными. Тем более, что теперь доказано, что мы можем использовать обычные оптические волокна для передачи квантовых данных на расстояние не менее десятков километров.

Однако создание запутанных фотонов представляет собой сложную задачу и затрудняет возможность масштабирования квантовых компьютеров до уровня размеров, надежности и стоимости, при котором они становятся полезными.

Разрабатываются обходные пути, например: генерация одиночных фотонов из несовершенного источника фотонов с помощью нелинейной оптики и телепортации одиночных фотонов. Повышение эффективность источников света с использованием эрбия еще один потенциальный вариант.

Но в конечном счёте многие из этих решений могут оказаться слишком сложными для решения проблемы, поэтому недавно разработанный метаматериал может изменить будущее квантовых компьютеров. Этот наноразмерный компонент, способный преобразовывать в свет масштабируемую квантовую информацию с низкой декогерентностью, был разработан исследователями Гарвардского университета и опубликован в престижном журнале Science.¹ под заголовком «Метаповерхностные квантовые графы для обобщенной интерференции Хонга-У-Манделя».

Квантовые источники света

Для передачи данных между компонентами квантового компьютера и между различными квантовыми компьютерами необходимо сохранить квантовые данные. Обычно это достигается путём создания запутанных частиц, в частности фотонов.

Эти запутанные частицы будут копировать состояние друг друга, даже находясь на большом расстоянии друг от друга.

До сих пор исследователи квантовых вычислений в основном использовали «традиционные» способы генерации запутанных фотонов. Это либо пропускание фотонов через волноводы на протяжённых микрочипах, либо через громоздкие устройства, состоящие из линз, зеркал и светоделителей.

Проблема в том, что эти системы слишком велики, сложны и их трудно производить в достаточных количествах, чтобы масштабировать метод до показателей, требуемых квантовой сетью.

Другая проблема — «декогеренция». С ростом числа фотонов и, следовательно, числа кубитов возрастает математическая сложность.

Каждый дополнительный фотон создает множество новых путей интерференции, что в обычной установке потребовало бы быстро растущего числа расщепителей луча и выходных портов.

Квантовая метаповерхность

Metamaterials

Метаматериалы изменяют структуру материала, придавая ему характеристики, отличные от свойств базовых материалов, из которых он изготовлен.

Чаще всего это достигается путем создания повторяющихся узоров точной формы, геометрии, размера, ориентации и т. д. — все в наномасштабе.

Контролируемое создание регулярных микроструктур может привести к улучшению эксплуатационных характеристик материала по сравнению с его базовым компонентом. Это может проявляться во многих различных свойствах, таких как электромагнитные, акустические, структурно-прочностные, термические и т. д.

Источник: Наука

Именно это и создали исследователи из Гарварда — новый тип метаповерхностей, плоских устройств, на которых вытравлены наномасштабные узоры, управляющие светом.

«Мы внедряем крупное технологическое преимущество в решении проблемы масштабируемости.

Теперь мы можем миниатюризировать всю оптическую установку в единую метаповерхность, которая будет очень стабильной и надежной».

Керолос МА Юсеф – аспирант Гарварда

Как метаповерхность обеспечивает масштабируемый квантовый свет

Математическая сложность множества фотонов, необходимая для сложных квантовых вычислений, может быть решена с помощью раздела математики, называемого теорией графов. Проще говоря, для представления связей и отношений используются точки и линии.

Источник: Наука

Хотя теория графов используется в определенных типах квантовых вычислений и квантовой коррекции ошибок, она до сих пор не применялась в контексте метаповерхностей, особенно при их проектировании и эксплуатации.

Теория графов позволила исследователям визуально определить, как фотоны интерферируют друг с другом, и предсказать их эффекты в экспериментах.

Новое устройство для запутывания фотонов

Используя теорию графов и коммерческие технологии производства полупроводников, исследователи создали «компактные многопортовые интерферометры».

Они использовали теорию графов для кодирования как физической конструкции, так и квантовых корреляций, которые она создает, в наноструктуре интерферометров.

«Это также открывает новый взгляд на понимание, проектирование и применение метаповерхностей, особенно для генерации и управления квантовым светом. В некотором смысле, благодаря графовому подходу проектирование метаповерхностей и оптическое квантовое состояние становятся двумя сторонами одной медали».

Нил Синклер – Исследования в Гарвардском университете

Затем они проверили его работу, используя сверхпроводящие нанопроволочные детекторы для измерения поведения фотонов.

Доказано, что такой подход дает множество преимуществ:

• Конструкция не требует сложной настройки, что значительно упрощает изготовление и настройку.
• Он очень устойчив к возмущениям и имеет низкие оптические потери.
• Его простота изготовления делает его более масштабируемым и более экономичным.

Эта работа в основном была сосредоточена на возможных применениях в квантовых вычислениях.

Однако он также может быть полезен для квантовых датчиков или предлагать возможности «лаборатории на чипе» для фундаментальных научных исследований.

«Я воодушевлен этим подходом, потому что он может эффективно масштабировать оптические квантовые компьютеры и сети — что долгое время было для них самой большой проблемой по сравнению с другими платформами, такими как сверхпроводники или атомы»,

Нил Синклер – Исследования в Гарвардском университете

Инвестиции в квантовые вычисления

Honeywell / Квантиниум

Quantinuum является результатом слияния Honeywell Quantum Solutions и Cambridge Quantum.

Honeywell остается основным акционером компании (вероятно, 52% акций) после раунда сбора средств, оценившего его в 5 млрд долларов. Сообщается, что основатель Ильяс Хан владеет примерно 20% компании. Другие акционеры включают JSR Corporation, Mitsui, Amgen, IBM и JP Morgan.

Потенциальное IPO Quantinuum в будущем, возможно, как часть более крупной корпоративной реструктуризации, оценивается примерно в 20 млрд долларов и может произойти между 2026 и 2027 годами.

Квантовые вычисления не являются центральной частью бизнеса Honeywell; компания больше сосредоточена вокруг продукции в сфере аэрокосмической промышленности, автоматизации, а также специальных химикатов и материалов.

Однако каждая из этих областей может выиграть от квантовых вычислений, особенно вычислительная химия и квантовая кибербезопасность, потенциально дающая Honeywell преимущество перед конкурентами.

На данный момент основной моделью компании является H2 — 56-кубитный чип на захваченных ионах с точностью двухкубитных затворов 99.895%.

Уже запланированы следующие три поколения с числом кубитов более 3; следующие выпуски запланированы на 1000, 2025 и 2027 годы.

Источник: квантинуум

Последняя версия, получившая название Apollo, станет прорывом, который позволит реализовать бесчисленное множество коммерческих приложений с использованием квантовых вычислений.

В заключение, благодаря сочетанию достижений в области готовности оборудования и квантовой электроники (QEC), к концу десятилетия мы сможем увидеть «Аполлон» – полностью отказоустойчивую машину с квантовыми преимуществами. Это станет переломным моментом в коммерческом плане: положит начало эпохе научных открытий в физике, материаловедении, химии и других областях.

Компания стремилась к высококачественным вычислениям с минимальным количеством ошибок вместо того, чтобы добавлять как можно больше подверженных сбоям кубитов, создавая так называемые «отказоустойчивые квантовые вычисления».

Компания называет этот подход «Лучшие кубиты, лучшие результаты»: при одинаковом количестве кубитов достигаются в 100–1,000 раз более надежные результаты.

Источник: квантинуум

Это может существенно повлиять на развитие столь необходимой квантово-устойчивой криптографии, в частности, благодаря оборонной компании Thales (ХО.ПА -0.96%) уже сотрудничаем с Quantinuum так же как и сигнал международные банки HSBC и JP Morgan.

Quantinuum также предлагает свою собственную технологию квантовой вычислительной химии. Инкуанто, применимый в фармацевтике, материаловедении, химической промышленности, энергетике и аэрокосмической отрасли.

Как и многие другие компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, Quantinuum предлагает Helios, «оборудование как услуга», что позволяет пользователям извлекать выгоду из квантовых вычислений, не сталкиваясь со сложностями эксплуатации системы самостоятельно.

Quantinuum подписала в ноябре 2024 года соглашение о партнерстве с немецкой Infineon, крупнейший в Европе производитель полупроводников. Infineon привнесет свои интегрированные фотонные и управляющие электронные технологии для создания следующего поколения квантовых компьютеров с захваченными ионами.

По мере того, как интегрированная фотоника приближается к практическим применениям, становится ясно, насколько важным может быть это партнерство для будущего Quantinuum. На данный момент, похоже, следующим шагом компании станет выпуск первого в мире фотонно-квантового чипа, ориентированного на ИИ.

В ближайшие месяцы Quantinuum поделится результатами текущего сотрудничества, демонстрируя новаторский потенциал квантовых достижений в области генеративного ИИ.

Инновационная возможность Gen QAI улучшит и ускорит использование металлоорганических каркасов для доставки лекарств, прокладывая путь к более эффективным и персонализированным вариантам лечения. Подробности будут представлены на запуске Helios.

Quantinuum объявляет о прорыве в области генеративного квантового искусственного интеллекта с огромным коммерческим потенциалом

Объявление в этой публикации является частью серии новостей, связанных с быстрым прогрессом в области связи искусственного интеллекта и квантовых вычислений, достигнутым в Quantinuum.

Более активное использование этой технологии может существенно повысить будущую стоимость компании и, следовательно, долю участия Honeywell в ней, а также потенциальную прибыль, которую инвесторы могут получить от нее.

(Вы также можете прочитать наш полный отчет об основном бизнесе Honeywell в области датчиков, деталей для аэрокосмической отрасли и современных материалов, а также об участии компании в Quantinuum)

Последние новости и события на рынке акций Honeywell (HON)

Ссылающееся исследование

^{1. Керолос М.А. Юсеф, Марко Д'Алессандро, Мэтью Йе, Нил Синклер, Марко Лонкар и Федерико Капассо. Метаповерхностные квантовые графы для обобщенной интерференции Хонга-У-Манделя. Наука. 24 июля 2025 г. Том 389, выпуск 6758, стр. 416-422. DOI: 10.1126/science.adw8404}