Ein neuartiger Chip für die Quantentechnologie

Heute leben wir mitten in einem Wettlauf um die Entwicklung eines Quantencomputers, der für praktische Anwendungen genutzt werden könnte. Dieses auf den Prinzipien der Quantenmechanik basierende Gerät birgt das Potenzial, Rechenaufgaben auszuführen, die weit über die Fähigkeiten der schnellsten Supercomputer von heute hinausgehen. Quantencomputer und andere quantenbasierte Technologien könnten erhebliche Fortschritte in Bereichen wie Cybersicherheit und molekularer Simulation bewirken und Bereiche wie Online-Sicherheit, Arzneimittelforschung und Materialherstellung beeinflussen und sogar revolutionieren.

Ein Ableger dieses technologischen Wettlaufs ist der Bau dessen, was in Wissenschafts- und Ingenieurkreisen als „Quantensimulator“ bekannt ist – eine spezielle Art von Quantencomputer, der dazu konstruiert ist, ein Gleichungsmodell für einen bestimmten Zweck zu lösen, der über die Rechenleistung eines Standardcomputers hinausgeht. In der medizinischen Forschung könnte beispielsweise theoretisch ein Quantensimulator gebaut werden, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, eine spezifische, komplexe molekulare Wechselwirkung zu simulieren, um sie genauer zu untersuchen, das wissenschaftliche Verständnis zu vertiefen und die Arzneimittelentwicklung zu beschleunigen.

Aber genau wie der Bau eines praktischen, nutzbaren Quantencomputers hat sich auch der Bau eines nützlichen Quantensimulators als gewaltige Herausforderung erwiesen. Die Idee wurde zuerst von einem Mathematiker vorgeschlagen Yuri Manin im Jahr 1980. Seitdem haben Forscher versucht, gefangene Ionen, kalte Atome und supraleitende Qubits zu nutzen, um einen Quantensimulator zu bauen, der für reale Anwendungen geeignet ist, doch bis heute sind diese Methoden alle noch in Arbeit.

Jüngste Fortschritte beim Entwurf und der Herstellung supraleitender Systeme haben zu mehreren erfolgreichen Implementierungen prototypischer Quantensimulatoren geführt, die Quantensysteme im kleinen Maßstab demonstrieren. Es gab jedoch Herausforderungen bei der Vergrößerung dieser Systeme auf eine nutzbare Größe sowie betriebliche Schwierigkeiten beim Versuch, supraleitende Systeme zur Simulation tatsächlicher Quantenmaterialien zu verwenden.

Jetzt hat ein Forschungsteam der University of Washington unter der Leitung von Arka Majumdar, außerordentlicher Professor für Physik sowie Elektro- und Computertechnik an der UW, diese Bemühungen einen bedeutenden Schritt vorangebracht. Das Team demonstriert in Naturkommunikation dass ein neuartiger photonischer Siliziumchip als solide Grundlage für den Bau eines Quantensimulators mit nützlichen Anwendungen in der realen Welt dienen könnte.

Majumdar ist Experte für Optik, Photonik und die Entwicklung von Quantentechnologien. An der UW ist er zusätzlich zu seinen Lehr- und Forschungsaufgaben Co-Vorsitzender von QuantumX und Mitglied des Institute for Nano-Engineered Systems.

„Wir haben gezeigt, dass die Photonik ein Spitzenkandidat für die Quantensimulation ist und dass photonische Chips Realität sind“, sagte Majumdar. „Wir glauben, dass diese Chips eine sehr wichtige Rolle beim Aufbau eines Quantensimulators spielen können.“

„Dies ist eine sehr gute Plattform für die Realisierung eines nützlichen Quantensimulators, der auf große Größen skaliert werden könnte“, fügte Abhi Saxena, Hauptautor des Papiers und jüngster UW ECE-Alumnus, hinzu. Saxena schloss 2023 seinen Doktortitel ab und arbeitet jetzt für das National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado.

Zu den weiteren Mitgliedern des Forschungsteams gehören Arnab Manna, ein Doktorand in der Physikabteilung, und UW ECE-Assistenzprofessor Rahul Trivedi, ein Experte für Quantensysteme, der die Gruppe bei theoretischen Aspekten ihrer Forschung unterstützte.

Die Vorteile eines photonischen Siliziumchips – skalierbar, messbar, programmierbar

Photonik ist ein Zweig der Optik (die Untersuchung des Verhaltens und der Eigenschaften von Licht), der die Erzeugung, Erkennung und Manipulation von Licht anwendet, um eine breite Palette von Technologien wie Laser, Faseroptik und Leuchtdioden (LEDs) zu ermöglichen. Ein wesentlicher Vorteil der Photonik gegenüber anderen Methoden zum Aufbau einer Quantensimulatorplattform besteht darin, dass photonische Geräte in CMOS-Gießereien hergestellt werden können, die seit Jahrzehnten zur Herstellung von Halbleiterchips verwendet werden.

„Der Herstellungsprozess, den wir für diesen Chip haben, kann direkt an die bereits ausgereifte Siliziumfertigung anknüpfen, die wir für Transistoren und andere Computerchips durchführen“, sagte Saxena. „Für andere Quantensimulatorplattformen ist das hingegen nicht machbar, obwohl viele von ihnen bereits prototypische Geräte demonstriert haben.“

Beispielsweise entwickelte das Forschungsteam seinen photonischen Siliziumchip in der Washington Nanofabrication Facility auf dem UW-Campus. Ihre Herstellungsmethode wird dazu beitragen, die Produktionskosten für den Bau eines Quantensimulators zu senken und, was vielleicht noch wichtiger ist, es möglich zu machen, den Chip so weit zu skalieren, dass er in einer Vielzahl von Quantensimulationsgeräten verwendet werden kann.

Das Herzstück des vom Team entwickelten Chips ist ein „photonisch gekoppeltes Hohlraumarray“. Dieses Array ist ein pseudoatomares Gitter, das aus acht photonischen Resonatoren besteht. Es ist ein Ort, an dem Photonen eingeschlossen, in ihrer Energie angehoben und abgesenkt und auf kontrollierte Weise bewegt werden können, wodurch im Wesentlichen Kreisläufe gebildet werden.

Zu den wichtigen technischen Innovationen des Teams im Zusammenhang mit dem Array gehört die Entwicklung eines mathematischen Algorithmus, der es ihnen ermöglichte, den Chip im Detail abzubilden oder zu charakterisieren, wobei nur die an den Grenzen des Chips verfügbaren Informationen verwendet wurden, und der Entwurf einer neuen Art von Architektur zum Heizen und unabhängig Steuerung jedes Hohlraums im Array, wodurch das Team das Gerät programmieren konnte. Laut Majumdar und Saxena wurden diese beiden Innovationen auf einem photonischen Siliziumchip noch nie zuvor erreicht.

„Wir demonstrieren alles auf einem Chip und haben Skalierbarkeit, Messbarkeit und Programmierbarkeit gezeigt – und damit drei der vier größten Hindernisse für die Verwendung eines Silizium-Photonikchips als Plattform für einen Quantensimulator gelöst“, sagte Majumdar. „Unsere Lösung ist klein, nicht anfällig für Fehlausrichtungen und wir können sie programmieren.“

Was die Zukunft bringt

In Zukunft möchte das Forschungsteam das vierte und letzte große Hindernis für den Aufbau eines vollständig realisierten Quantensimulators lösen, das einen Zustand namens „Nichtlinearität“ schafft. Im Gegensatz zu den in elektronischen Schaltkreisen üblichen Elektronen, die sich aufgrund ihrer negativen elektrischen Ladung gegenseitig abstoßen, interagieren Photonen naturgemäß nicht miteinander. In einem Quantensimulator ist eine äquivalente Wechselwirkung erforderlich, um Nichtlinearität zu erzeugen und die Schaltung zu vervollständigen. Das Team untersucht derzeit verschiedene Ansätze, um dieses Problem anzugehen.

Auf der Agenda des Forschungsteams steht auch die Feinabstimmung seines photonischen Siliziumchips, um ihn für Standard-Chipgießereien zu optimieren, damit der Chip in Halbleiterfabriken auf der ganzen Welt hergestellt werden kann. Sowohl Majumdar als auch Saxena sagten, dass dieser Aspekt der Entwicklung relativ gesehen eine einfachere Hürde darstellen würde, und äußerten sich optimistisch hinsichtlich der Auswirkungen, die ihr Chip haben wird.

„Durch diese Arbeit haben wir eine solide Grundlage für eine Plattform geschaffen, die Photonik und die halbleiterbasierte Technologie, die wir als praktikable Alternativen zur Entwicklung von Quantensimulatoren verwenden, demonstriert“, sagte Saxena. „Ich denke, dass viele Wissenschaftler und Techniker es bislang generell vermieden haben, die Photonik für diesen Zweck in Betracht zu ziehen. Unsere Arbeit zeigt jedoch, dass dies realistisch möglich ist, sodass es einen sehr guten Anreiz für mehr Menschen darstellt, sich in diese Richtung zu bewegen.“ .“