Forskare har utvecklat en ny enhet i mikrochipstorlek som dramatiskt kan påskynda utvecklingen av framtidens kvantdatorer. Genom att kontrollera laserfrekvenser med extrem precision och minimal strömförbrukning löser tekniken ett av de största hindren för skalbara kvantmaskiner: behovet av massproduktion.
I en studie nyligen publicerad i tidskriften Nature Communications presenterar forskare från University of Colorado at Boulder ett genombrott som kan ta kvantberäkningar från experimentstadiet till storskalig industriell verklighet. Den nya enheten, en optisk fasmodulator, är nästan 100 gånger tunnare än ett mänskligt hårstrå men besitter förmågan att styra laserljus med en noggrannhet som tidigare krävt otympliga och energikrävande system.
Revolutionerande precision i mikroformat
Dagens kvantmaskiner är ofta beroende av stora, specialbyggda system för att manipulera laserljus, vilket är nödvändigt för att interagera med kvantbitar (qubits). Det nya chippet förändrar detta fundamentalt. Genom att integrera styrningen direkt på en mikroskopisk yta kan laserljuset kontrolleras med en precision som krävs för att driva maskiner med tusentals eller till och med miljontals qubits.
Enheten fungerar som en optisk fasmodulator, vilket innebär att den kan ändra egenskaper hos ljuset i realtid. Trots sin extrema prestanda drar den betydligt mindre ström än de nuvarande skrymmande systemen, vilket gör det möjligt att bygga tätare och mer kraftfulla beräkningskluster utan att värmeutvecklingen blir ohanterlig.
Tillverkning med standardiserad teknik
En av de mest kritiska aspekterna av genombrottet är hur chippet produceras. Enheten är byggd med så kallad CMOS-tillverkning (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), samma standardprocess som används för att tillverka mikrochippen i dagens smartphones och datorer.
Matt Eichenfield, en av forskarna bakom projektet, betonar vikten av detta: “CMOS-tillverkning är den mest skalbara teknik människan någonsin har uppfunnit.” Han förklarar att varje mikroelektroniskt chip i en mobiltelefon innehåller miljarder identiska transistorer. Genom att använda samma infrastruktur kan forskarna i framtiden producera tusentals eller miljontals identiska fotoniska enheter. Detta är exakt vad som krävs för att kvantdatorer ska kunna skala upp och bli praktiskt användbara.
Vägen mot miljontals qubits
Dagens kvantmaskiner befinner sig ofta på en nivå där de hanterar ett begränsat antal qubits, delvis på grund av svårigheten att styra varje enskild enhet med precision. Eftersom det nya chippet är tillverkat med konventionella metoder kan det massproduceras istället för att specialbyggas för hand.
Detta öppnar dörren för kvantmaskiner som är betydligt större och kraftfullare än något som är möjligt idag. Genom att gå från specialanpassade laboratorieuppställningar till chip-baserad serietillverkning kan branschen nu börja skymta en framtid där kvantdatorer med miljontals qubits blir verklighet, kapabla att lösa beräkningsuppgifter som är långt bortom räckvidden för dagens mest avancerade superdatorer.