Wissenschaftler haben einen wichtigen Schritt hin zur Entwicklung von Computern gemacht, die weit genug fortgeschritten sind, um komplexe Naturphänomene auf Quantenebene zu simulieren. Während diese Art von Simulationen für klassische Computer zu umständlich oder gar unmöglich ist, könnten auf Photonik basierende Quantencomputersysteme eine Lösung bieten.
Ein Forscherteam der Hajim School of Engineering & Applied Sciences der Universität Rochester hat ein neues optisches Quantensimulationssystem im Chip-Maßstab entwickelt, das dazu beitragen könnte, ein solches System realisierbar zu machen. Das Team unter der Leitung von Qiang Lin, einem Professor für Elektrotechnik, Computertechnik und Optik, veröffentlichte seine Ergebnisse in Naturphotonik.
Lins Team führte die Simulationen in einem synthetischen Raum durch, der die physische Welt nachahmt, indem er die Frequenz oder Farbe quantenverschränkter Photonen im Laufe der Zeit steuert. Dieser Ansatz unterscheidet sich von den herkömmlichen photonikbasierten Rechenmethoden, bei denen die Pfade der Photonen kontrolliert werden, und reduziert außerdem den physischen Platzbedarf und den Ressourcenbedarf drastisch.
„Zum ersten Mal ist es uns gelungen, einen quantenkorrelierten synthetischen Kristall herzustellen“, sagt Lin. „Unser Ansatz erweitert die Dimensionen des synthetischen Raums erheblich und ermöglicht uns die Durchführung von Simulationen mehrerer Quantenphänomene wie Zufallswanderungen quantenverschränkter Photonen.“
Die Forscher sagen, dass dieses System in Zukunft als Grundlage für komplexere Simulationen dienen kann.
„Obwohl die simulierten Systeme gut verstanden sind, demonstriert dieses Proof-of-Principle-Experiment die Leistungsfähigkeit dieses neuen Ansatzes für die Skalierung auf komplexere Simulationen und Rechenaufgaben. Wir freuen uns sehr, dies in Zukunft zu untersuchen“, sagt Usman Javid ’23 Ph.D., der Hauptautor der Studie.
Weitere Co-Autoren aus Lins Gruppe sind Raymond Lopez-Rios, Jingwei Ling, Austin Graf und Jeremy Staffa.
Mehr Informationen:
Usman A. Javid et al., Chip-Scale-Simulationen in einem quantenkorrelierten synthetischen Raum, Naturphotonik (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01236-7