Нова метаповерхня створює масштабоване квантове джерело світла

Розв'язання квантового світла

Квантові обчислення мають багато перспектив, від вирішення обчислень, які інакше неможливо виконати, потенційно навіть зламавши всі існуючі форми шифрування, до створення надефективних комп'ютерів з точки зору споживання енергії.

Якби квантові комп'ютери стали достатньо потужними, вони могли б повністю революціонізувати медицину завдяки миттєвому розрахунку 3D-конфігурації білків, матеріалознавству, моделюванню клімату або навіть... навчання штучного інтелекту.

Найімовірніше, зв'язок між квантовими чіпами та квантовими комп'ютерами здійснюватиметься за допомогою елементарної частинки світла: фотонів.

Точніше, заплутані фотони, де вони взаємодіють один з одним через квантові ефекти, навіть коли вони розділені. Особливо враховуючи, що зараз доведено, що ми можемо використовувати звичайні оптичні волокна для передачі квантових даних щонайменше на десятки кілометрів.

Однак, створення заплутаних фотонів стало величезним викликом і перешкоджає можливості масштабування квантових комп'ютерів до розміру, надійності та рівня вартості, де вони будуть корисними.

Розробляються обхідні шляхи, наприклад, виробництво окремих фотонів з недосконалого джерела фотонів за допомогою нелінійної оптики та телепортації окремих фотонівПідвищення ефективність джерел світла з використанням ербію – це ще один потенційний варіант.

Але зрештою, багато з цих рішень можуть бути занадто складними для вирішення проблеми, тому нещодавно розроблений метаматеріал може змінити майбутнє квантових комп'ютерів. Цей нанорозмірний компонент, здатний перетворювати у світло масштабовану квантову інформацію з низькою декогерентністю, був розроблений дослідниками Гарвардського університету та опублікований у престижному журналі Science.¹ під назвою "Метаповерхневі квантові графи для узагальненої інтерференції Хонг-Оу-Манделя".

Квантові джерела світла

Для передачі даних між підкомпонентами квантового комп'ютера та між різними квантовими комп'ютерами необхідно зберегти квантові дані. Зазвичай це досягається шляхом створення заплутаних частинок, зокрема фотонів.

Ці заплутані частинки відтворюватимуть стан одна одної, навіть якщо вони розділені великими відстанями.

Досі дослідники в галузі квантових обчислень переважно використовували «традиційні» способи генерації заплутаних фотонів. Це або шляхом пропускання фотонів через хвилеводи на подовжених мікрочіпах, або за допомогою громіздких пристроїв, побудованих з лінз, дзеркал та роздільників променя.

Проблема полягає в тому, що ці системи занадто великі, складні та їх важко виробляти в достатніх кількостях, щоб метод можна було масштабувати до кількості, необхідної для квантової мережі.

Ще однією проблемою є «декогеренція». Більша математична складність виникає, коли кількість фотонів, а отже, і кількість кубітів, починає зростати.

Кожен додатковий фотон створює багато нових інтерференційних шляхів, що у звичайній установці вимагало б швидко зростаючої кількості розщеплювачів променя та вихідних портів.

Квантова метаповерхня

Метаматеріали

Метаматеріали змінюють структуру даного матеріалу, надаючи йому характеристики, відмінні від властивостей базових матеріалів, з яких він виготовлений.

Найчастіше це досягається шляхом створення повторюваних візерунків точної форми, геометрії, розміру, орієнтації тощо на нанорівні.

Створення регулярних мікроструктур контрольованим способом може призвести до покращення характеристик матеріалу порівняно з його основним компонентом. На це може впливати багато різних властивостей, таких як електромагнітні, акустичні, структурна міцність, теплові тощо.

джерело: наука

Саме це створили дослідники з Гарварду за допомогою нового типу метаповерхонь – плоских пристроїв, на яких витравлені нанорозмірні світломаніпулюючі візерунки.

«Ми впроваджуємо значну технологічну перевагу, коли йдеться про вирішення проблеми масштабованості».

Тепер ми можемо мініатюризувати цілу оптичну установку в єдину метаповерхню, яка є дуже стабільною та надійною».

Керолос М.А. Юсеф – аспірант Гарварду

Як метаповерхня забезпечує масштабоване квантове світло

Математичну складність багатьох фотонів, необхідних для складних квантових обчислень, можна вирішити за допомогою розділу математики, який називається теорією графів. Простіше кажучи, вона використовує точки та лінії для представлення зв'язків та відносин.

джерело: наука

Хоча теорія графів використовується в деяких типах квантових обчислень та квантової корекції помилок, вона ще не застосовувалася в контексті метаповерхонь, особливо в їх проектуванні та експлуатації.

Теорія графів дозволила дослідникам візуально визначити, як фотони інтерферують один з одним, та передбачити їхній вплив в експериментах.

Новий пристрій для фотонного заплутування

Використовуючи теорію графів та комерційні методи виробництва напівпровідників, дослідники створили «компактні багатопортові інтерферометри».

Вони використали теорію графів для кодування як фізичної конструкції, так і квантових кореляцій, які вона створює, в наноструктурі інтерферометрів.

«Це також пропонує нове розуміння, проектування та застосування метаповерхонь, особливо для генерації та керування квантовим світлом. Завдяки графовому підходу, певним чином, проектування метаповерхонь та оптичний квантовий стан стають двома сторонами однієї медалі».

Ніл Сінклер – Дослідження в Гарвардському університеті

Потім вони перевірили його продуктивність, використовуючи надпровідні нанодротові детектори для вимірювання поведінки фотонів.

Було доведено, що такий підхід має багато переваг:

• Конструкція не вимагає складних вирівнювань, що значно спрощує виробництво та налаштування.
• Він дуже стійкий до збурень, з низькими оптичними втратами.
• Його легко виготовити, що робить його більш масштабованим та економічно вигідним.

Ця робота була здебільшого зосереджена на можливих застосуваннях у квантових обчисленнях.

Однак, це також може бути корисним для квантового зондування або пропонувати можливості «лабораторії на чіпі» для фундаментальних наукових досліджень.

«Я в захваті від цього підходу, оскільки він може ефективно масштабувати оптичні квантові комп’ютери та мережі, що довгий час було їхньою найбільшою проблемою порівняно з іншими платформами, такими як надпровідники чи атоми»,

Ніл Сінклер – Дослідження в Гарвардському університеті

Інвестування в квантові обчислення

Honeywell / Квантинуум

Quantinuum є результатом злиття Honeywell Quantum Solutions і Cambridge Quantum.

Honeywell залишається мажоритарним акціонером компанії (ймовірно, 52% власності) після раунду збору коштів, оцінивши його в 5 мільярдів доларівПовідомляється, що засновник Ільяс Хан володіє приблизно 20% компанії. Серед інших акціонерів — JSR Corporation, Mitsui, Amgen, IBM та JP Morgan.

Потенційне IPO Quantinuum у майбутньому, можливо, як частина більшої корпоративної реструктуризації, оцінюється в 20 мільярдів доларів та  може статися між 2026 та 2027 роками.

Квантові обчислення не є центральною частиною бізнесу Honeywell; вони більше зосереджені на продуктах в аерокосмічній галузі, автоматизації, а також спеціальних хімікатах і матеріалах.

Однак кожна з цих галузей може отримати користь від квантових обчислень, особливо обчислювальна хімія і квантова кібербезпека, що потенційно дає Honeywell перевагу над конкурентами.

Основною моделлю компанії наразі є H2, 56-кубітний чіп із захопленими іонами та 99.895% точністю роботи двокубітного затвора.

Наступні 3 покоління, до 1000+ кубітів, вже заплановані, а наступні релізи заплановані на 2025, 2027 та 2029 роки.

джерело: Квантинуум

Остання версія, що отримала назву Apollo, стане проривом, який дозволить реалізувати безліч комерційних застосувань за допомогою квантових обчислень.

На завершення, завдяки поєднанню досягнень у підготовці апаратного забезпечення та квантової обробки даних (QEC), до кінця десятиліття ми матимемо пряму видимість до Apollo — повністю відмовостійкої машини з квантовими перевагами. Це буде комерційним переломним моментом: відкриттям ери наукових відкриттів у фізиці, матеріалознавстві, хімії тощо.

Компанія прагнула високоякісних обчислень з дуже малою кількістю помилок, замість того, щоб додавати якомога більше кубітів, схильних до збоїв, створюючи так звані «відмовостійкі квантові обчислення».

Цей підхід компанія називає «Кращі кубіти, кращі результати», при цьому аналогічна кількість кубітів дає в 100-1,000 разів надійніші результати.

джерело: Квантинуум

Це може значною мірою вплинути на вкрай необхідну квантово-стійку криптографію, адже оборонна компанія Thales (HO.PA -0.96%) вже співпрацює з Quantinuum а також міжнародні банки HSBC та  JP Morgan.

Quantinuum також пропонує свою власну квантову обчислювальну хімію InQuanto, придатний для застосування у фармацевтиці, матеріалознавстві, хімічній, енергетичній та аерокосмічній промисловості.

Як і багато інших квантових обчислювальних компаній, Quantinuum пропонує Helios, послугу «апаратне забезпечення як послуга», що дозволяє користувачам отримувати вигоду від квантових обчислень, не стикаючись зі складністю керування системою.

У листопаді 2024 року Quantinuum підписала партнерську угоду з німецькою Infineon, найбільший у Європі виробник напівпровідників. Infineon представить свою інтегровану фотоніку та технологію керуючої електроніки, щоб допомогти створити нове покоління квантових комп’ютерів із захопленими іонами.

Оскільки інтегрована фотоніка наближається до практичного використання, тепер зрозуміло, наскільки важливим може бути це партнерство для майбутнього Quantinuum. На даний момент, схоже, наступним кроком для компанії буде випуск першого у світі фотонічно-квантового чіпа, орієнтованого на штучний інтелект.

У найближчі місяці Quantinuum поділиться результатами поточної співпраці, демонструючи новаторський потенціал квантово-орієнтованих досягнень у генеративному штучному інтелекті.

Інноваційна можливість Gen QAI покращить та прискорить використання металевих органічних каркасів для доставки ліків, прокладаючи шлях до більш ефективних та персоналізованих варіантів лікування, деталі яких будуть оприлюднені під час запуску Helios.

Quantinuum оголошує про генеративний прорив Quantum AI з величезним комерційним потенціалом

Оголошення в цій публікації є частиною низки новин, пов'язаних зі швидким прогресом у з'єднанні штучного інтелекту та квантових обчислень, встановленим на Quantinuum.

Більше поточних варіантів використання може значно підвищити майбутню вартість компанії, а отже, і частку Honeywell у ній, а також потенційний прибуток, який інвестори можуть отримати від цього.

(Ви також можете прочитати наш повний звіт щодо основного бізнесу Honeywell у сфері датчиків, аерокосмічних деталей та передових матеріалів, окрім участі в Quantinuum)

Останні новини та події щодо акцій Honeywell (HON)

Посилання на дослідження

^{1. Керолос М. А. Юсеф, Марко Д'Алессандро, Метью Є, Ніл Сінклер, Марко Лонкар і Федеріко Капассо. Метаповерхневі квантові графи для узагальненої інтерференції Хонг-Оу-Манделя. Наука. 24 липня 2025 р. Том 389, випуск 6758, стор. 416-422. DOI: 10.1126/science.adw8404}