NTT: Desenvolvimento de fonte de luz quântica modularizadas para computadores quânticos universais de grande escala tolerantes a falhas

By On 24 dez, 2021

TÓQUIO 24/12/2021 –

A NTT Corporation (NTT, Presidente e diretor executivo: Jun Sawada, Chiyoda-ku, Tóquio) (TOKYO: 9432) em cooperação com a Universidade de Tóquio (Presidente: Teruo Fujii, Bunkyo-ku, Tóquio) e RIKEN (Presidente: Hiroshi Matsumoto , Wako-shi, Saitama) desenvolveu uma fonte de luz quântica acoplada a fibra óptica (fonte de luz comprimida) (*1), que é uma tecnologia fundamental para a realização de um computador quântico óptico universal de grande escala e tolerante a falhas.

Este comunicado de imprensa inclui multimédia. Veja o comunicado completo aqui: https://www.businesswire.com/news/home/20211222005621/pt/

Fig 1: Generation of large-scale quantum entangled state by a time-domain-multiplexing technique (Graphic: Business Wire)

Os computadores quânticos estão sendo pesquisados e desenvolvidos em todo o mundo porque são capazes de processamento computacional paralelo usando fenômenos únicos da mecânica quântica, como estados de superposição e de emaranhamento quântico. Vários métodos estão sendo considerados, mas o computador quântico óptico que usa fótons tem muitas vantagens. Por exemplo: não requer equipamentos de baixa temperatura e vácuo exigidos por outros métodos, tornando-o compacto. Além disso, ao criar um estado quântico emaranhado multiplexado no domínio do tempo, o número de qubits pode ser facilmente aumentado sem micro integração de circuitos ou paralelização de equipamentos. O processamento computacional de alta velocidade é possível graçasànatureza de banda larga da luz. A correção de erros quânticos tem se mostrado teoricamente possível pelo uso de variáveis contínuas de luz que aproveitam a paridade dos fótons, ao invés do uso de variáveis discretas que usam a presença ou ausência de fótons. Este método tem alta compatibilidade com tecnologias de comunicação óptica, como fibras ópticas de baixa perda e dispositivos ópticos altamente funcionais, proporcionando um progresso impressionante na construção de computadores quânticos ópticos tolerantes a falhas em grande escala.

Para tornar computadores quânticos ópticos uma realidade, um dos componentes mais importantes é uma fonte de luz quântica que gere luz comprimida, que é a origem da natureza quântica em computadores quânticos ópticos. Especialmente, uma fonte de luz quântica acoplada a uma fibra óptica é algo muito desejável. A luz comprimida é uma luz atípica que possui um número par de fótons e ruído quântico comprimido, usada para gerar o emaranhamento quântico. Além disso, a luz comprimida desempenha um papel extremamente importante na correção do erro quântico, já que a correção é possível utilizando a paridade do número de fótons. Para conseguir um computador quântico óptico universal tolerante a falhas em grande escala, precisamos de uma fonte de luz compactada acopladaàfibra com ruído quântico altamente compactado e paridade de número de fótons que seja mantida mesmo em componentes com uma grande quantidade de fótons. Por exemplo: é necessário um nível de compressão maior que 65% para gerar emaranhamento quântico múltiplo no domínio do tempo (estados de cluster bidimensionais) (*2) que possa ser usado para computação quântica em grande escala. No entanto, tais dispositivos nunca foram desenvolvidos devidoàdificuldade de gerar luz comprimida com alta qualidade.

Neste estudo, desenvolvemos uma nova fonte de luz quântica acoplada a fibra óptica que opera em comprimentos de onda de comunicação óptica. Ao combiná-lo com componentes de fibra ótica, geramos luz comprimida de onda contínua com mais de 75% de ruído quântico comprimido com frequência de banda lateral superior a 6 THz, mesmo em um sistema fechado de fibra ótica pela primeira vez. Isso significa que o dispositivo principal em computadores quânticos ópticos foi realizado de forma compatível com fibras ópticas, mantendo a natureza de banda larga da luz. Isso permitirá o desenvolvimento de um computador quântico óptico em um sistema estável e livre de manutenção usando fibras ópticas e dispositivos de comunicação óptica. Como resultado, haverá um grande avanço no desenvolvimento de computadores quânticos ópticos de grande escala do tamanho de um rack.

Os resultados desta pesquisa serão publicados na revista científica americana Applied Physics Letters em 22 de dezembro de 2021 (horários dos EUA). Este artigo também foi escolhido como “Seleção do Editor”. Parte desta pesquisa foi apoiada pelo Programa Moonshot de Pesquisa e Desenvolvimento da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (Japan Science and Technology Agency, JST).

[Pontos]

Desenvolvemos um módulo de fonte de luz comprimida de alto desempenho acopladoàfibra óptica, que será um dispositivo chave para realizar um computador quântico óptico do tamanho de um rack.
Usando o módulo desenvolvido de fonte de luz quântica acopladoàfibra e dispositivos de comunicação óptica, a luz comprimida de onda contínua com ruído quântico suprimido em mais de 75% ao longo de uma largura de banda larga de mais de 6 THz foi gerada pela primeira vez com sucesso em um sistema fechado de fibra óptica.
Esta conquista possibilita desenvolver um computador quântico óptico em escala realista, em um sistema óptico estável e livre de manutenção, usando dispositivos de comunicação óptica e proporcionando um grande avanço no desenvolvimento de um computador quântico óptico universal tolerante a falhas em grande escala.

[Histórico]

Pesquisa e desenvolvimento para fabricar um computador quântico universal estão sendo ativamente conduzidos em todo o mundo. Recentemente, a computação quântica com cerca de 100 qubits físicos foi relatada usando circuitos supercondutores. No entanto, para desenvolver um computador quântico universal tolerante a falhas, cerca de um milhão de qubits físicos são necessários. Portanto, aumentar o número de qubits se tornou um grande desafio na computação quântica. Para conseguir um milhão de qubits por circuitos supercondutores ou íons aprisionados, abordagens foram levadas em conta para aumentar o número de qubits, integrando seus elementos e equipamentos de paralelização. Por outro lado, espera-se que um computador quântico óptico possibilite computação quântica universal em grande escala que usa uma técnica de multiplexação no domínio do tempo (*3) e manipulação quântica induzida por medição (*4), que é completamente diferente abordagem de métodos convencionais. Na técnica de multiplexação no domínio do tempo, dividimos a luz que se desloca continuamente em segmentos de tempo e colocamos informações nos pulsos de luz separados. Por este método, podemos facilmente aumentar o número de qubits no eixo do tempo sem aumentar o tamanho do equipamento (Fig.1). Além disso, demonstrou-se teoricamente ser possível corrigir erros quânticos usando a paridade do número de fótons e as variáveis contínuas de luz. Ao usar uma fibra óptica de baixa perda como um meio de propagação para deslocar qubits ópticos, estados quânticos emaranhados em grande escala poderão ser gerados livre e de maneira estável em combinação com dispositivos de comunicação óptica. Especificamente, com apenas quatro fontes de luz comprimidas, duas fibras ópticas de comprimentos diferentes (linhas de atraso óptico) e cinco divisores de feixe (Fig.2), é possível gerar estados de cluster bidimensionais em grande escala para cálculos quânticos universais. Esta é uma abordagem que não requer necessariamente integração ou equipamento em grande escala e possibilita obter computação quântica universal na escala realista de equipamento com o tamanho de um rack, enquanto os métodos que usam circuitos supercondutores ou íons aprisionados requerem integração de elementos ou paralelização de equipamentos. Além disso, este método pode realizar cálculos de alta velocidade, aproveitando a alta frequência da luz. Isso significa que não apenas os algoritmos quânticos de alta velocidade podem ser implementados, mas que suas frequências de clock (ciclos por segundo) podem ser altas, tornando os computadores quânticos ópticos a última palavra em tecnologia de processamento de informações de alta velocidade.

Até agora, demonstramos várias operações quânticas ópticas para desenvolver esse computador quântico óptico usando um sistema óptico espacial que consiste em muitos espelhos alinhados com alta precisão. O objetivo é minimizar a perda ótica de luz e aumentar a interferência entre a luz tanto quanto possível. No entanto, se os espelhos estiverem desalinhados, mesmo que significativamente, as características desejadas não seriam alcançadas e o caminho da luz teria que ser reajustado para cada experimento. Por estes motivos, para desenvolver um computador quântico óptico de uso prático, um sistema óptico fechado para o guia de ondas óptico deve ser utilizado, como um circuito óptico integrado ou fibra óptica, com excelente estabilidade operacional e sem a necessidade de manutenção. Em particular, o elemento mais fundamental em computadores quânticos ópticos é a luz comprimida. Essa luz atípica tem o ruído quântico comprimido da amplitude ou fase de uma onda, que é um par não comutativo de grandezas físicas. Como ela é difícil de ser gerada e é facilmente degradada por perda óptica, a luz de uma fonte de luz comprimida acopladaàfibra óptica tende a ser fraca. Especialmente, mais de 65% de luz comprimida, necessária para gerar o estado emaranhado quântico em grande escala multiplexada no domínio do tempo (estados de cluster bidimensionais), não é obtida com uma configuração fechada de fibra óptica.

[Progresso técnico]

Desenvolvemos um módulo de fonte de luz quântica acopladaàfibra de baixa perda (módulo de amplificação paramétrica óptica) (Fig.3). Conseguimos baixas perdas renovando o método de fabricação do guia de ondas de niobato de lítio periodicamente polarizado (Periodically Poled Lithium Niobate, PPLN), que é a parte principal do módulo. Ele foi montado como um módulo acopladoàfibra óptica de baixa perda usando a técnica de montagem de dispositivos de comunicação óptica que a NTT desenvolveu. Ao conectar componentes de fibra óptica, medimos a luz comprimida onde o ruído quântico é reduzido em mais de 75% com uma largura de banda de mais de 6 THz (Fig.4). Isso significa que os estados quânticos necessários para a computação quântica óptica podem ser gerados e medidos mesmo em um sistema totalmente fechado em fibras ópticas. Portanto, a fonte de luz quântica acopladaàfibra desenvolvida possibilitará o desenvolvimento de um computador quântico óptico estável e livre de manutenção em uma escala realista, promovendo um grande desenvolvimento futuro.

Neste experimento, usamos um novo método em que o primeiro módulo gera luz comprimida e o segundo módulo converte a informação quântica óptica em informação de luz clássica. O amplificador óptico paramétrico desenvolvido como fonte de luz é usado na direção oposta para obter amplificação óptica que mantém a paridade do número de fótons. Ao contrário da técnica de detecção homódina balanceada convencional, este método de medição pode amplificar e converter o sinal quântico em um sinal óptico clássico sem transformá-lo em elétrons. Graças a isso, ele permite medições extremamente rápidas. Esta tecnologia pode ser usada para desenvolver computadores quânticos totalmente ópticos no futuro e contribuirá muito para o desenvolvimento destes computadores que operam em frequências de relógio terahertz e são extremamente rápidos.

[Trabalhos futuros]

Em uma primeira etapa, desenvolveremos um computador quântico óptico composto de componentes de fibra óptica em combinação com várias operações quânticas ópticas que desenvolvemos até agora. Além disso, vamos melhorar a capacidade de compressão de ruído quântico da fonte de luz quântica para obter um computador quântico óptico universal de grande escala e tolerante a falhas.

[Suporte para esta pesquisa]

Esta pesquisa foi apoiada pelo Projeto P&D Moonshot da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (Japan Science and Technology, JST). Moonshot Goal 6: “Desenvolvimento de um computador quântico universal tolerante a falhas que revolucionará a economia, a indústria e a segurança até 2050” (Diretor do Programa: Katsuhiro Kitagawa, Professor, Escola de Graduação em Ciências da Engenharia, Universidade de Osaka). Projeto de P&D “Desenvolvimento de Computadores Quânticos Óticos Universais Tolerantes a Falhas em Grande Escala” (gerente de projeto: Akira Furusawa, professor, Escola de Graduação em Engenharia, Universidade de Tóquio).

[Comentário do gerente de projeto]

Até agora, acreditava-se que os circuitos integrados eram essenciais para a criação de um computador quântico de grande escala. Porém, este sucesso mostra que os circuitos integrados não são necessários e que, utilizando os módulos desenvolvidos e os componentes de fibra óptica, podemos obter computadores quânticos ópticos em larga escala. Com esta conquista, a criação de um computador quântico em grande escala tornou-se uma realidade, e pode-se dizer que nasceu uma tecnologia revolucionária.

[Glossário]

*1 Fonte de luz comprimida

Dispositivo que gera luz em um estado no qual uma das flutuações quânticas (ruído quântico) de um par não comutativo de grandezas físicas é comprimida. É realizada por um meio que efetivamente induz fenômenos ópticos não lineares.

*2 Estado de cluster bidimensional (2D)

Um estado emaranhado quântico em grande escala que pode realizar qualquer padrão de computação quântica. Em 2019, o professor Akira Furusawa e seus colegas da Universidade de Tóquio perceberam um estado de cluster óptico bidimensional com mais de 10.000 qubits ópticos. [Ref. 1]

*3 Técnica de multiplexação no domínio do tempo para geração de emaranhamento quântico

Um método de geração de estados emaranhados em grande escala a partir de um número limitado de fontes de luz quântica, separando temporariamente a luz emitida de uma fonte de luz quântica contínua e interferindo com os pacotes de onda quântica separados (pulsos) com um interferômetro de atraso óptico.

*4 Cálculo quântico baseado em medição

Um método que pode realizar computação quântica universal equivalente ao computador quântico com base em portas, que tem sido pesquisado em todo o mundo. Ao contrário da computação quântica com base em porta convencional, na qual qubits individuais são emaranhados por operações de porta, este método envolve a preparação antecipada de um emaranhamento quântico em grande escala. Observando alguns qubits, podemos manipular o qubit restante.

[Referência 1]

W. Asavanant, et al., “Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state”, Science 366, 373 (2019).

[Informação de Publicação]

Takahiro Kashiwazaki, Taichi Yamashima, Naoto Takanashi, Asuka Inoue, Takeshi Umeki, and Akira Furusawa

“Fabrication of low-loss quasi-single-mode PPLN waveguide and its application to a modularized broadband high-level squeezer”

Applied Physics Letters

DOI: 10.1063/5.0063118

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