Os computadores quânticos usam os fundamentos da mecânica quântica para potencialmente acelerar o processo de resolução de cálculos complexos. Suponha que você precise executar a tarefa de pesquisar um número específico em uma lista telefônica. Um computador clássico pesquisará cada linha da lista telefônica até encontrar uma correspondência. Um computador quântico poderia pesquisar toda a lista telefônica ao mesmo tempo, avaliando cada linha simultaneamente e retornar um resultado muito mais rápido.

A diferença na velocidade se deve à unidade básica do computador para o processamento das informações. Em um computador clássico, essa unidade básica é chamada de bit, um pulso elétrico ou óptico que representa 0 ou 1. A unidade básica de um computador quântico é um qubit, que pode representar várias combinações de valores de 0 e 1 ao mesmo tempo. É essa característica que pode permitir que os computadores quânticos acelerem os cálculos. A desvantagem dos qubits é que eles existem em um estado quântico frágil que é vulnerável ao ruído ambiental, como mudanças na temperatura. Como resultado, gerar e gerenciar qubits em um ambiente controlado apresenta desafios significativos para os pesquisadores.

Galan Moody, engenheiro da UC Santa Bárbara, professor assistente de engenharia elétrica e da computação, propôs uma solução para superar a baixa eficiência e desempenho dos protótipos de computação quântica existentes que usam luz para codificar e processar informações. Os sistemas ópticos são atraentes porque naturalmente ligam a computação quântica e a rede na mesma estrutura física. Contudo, a tecnologia existente ainda requer operações ópticas fora do chip, que reduzem drasticamente a eficiência, desempenho e escalabilidade. Em seu projeto, "Heterogeneous III-V / Silicon Photonics for All-on-Chip:Linear Optical Quantum Computing, "Moody tem como objetivo criar uma plataforma de computação quântica óptica na qual todos os componentes essenciais são integrados em um único chip semicondutor.

"Os circuitos eletrônicos integrados possibilitaram avanços revolucionários na computação clássica. Nosso objetivo é criar circuitos fotônicos integrados que tenham o mesmo impacto na computação quântica, "disse Moody, que ingressou na Faculdade de Engenharia da UCSB neste outono, depois de passar seis anos no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia como bolsista de pós-doutorado e cientista pesquisador. "Isso poderia levar a uma melhoria dramática na eficiência e velocidade de processamento e permitir métodos totalmente novos de processamento e transmissão de informações usando a luz."

O projeto de pesquisa da Moody's agora recebeu um impulso significativo da Força Aérea dos Estados Unidos. Ele é um dos 40 cientistas em início de carreira selecionados para o Prêmio Jovem Investigador de 2019 do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea. Os vencedores recebem $ 450, 000 ao longo de três anos para apoiar o seu trabalho. O programa tem como objetivo fomentar a pesquisa de jovens cientistas que apóiem ​​a missão da Força Aérea de controlar e maximizar a utilização do ar, espaço e ciberespaço, bem como desafios relacionados em ciência e engenharia.

"É uma honra estar entre este grupo de talentosos premiados, e sou grato por ter sido selecionado, "disse Moody." Este prêmio permitirá que meu grupo de pesquisa tenha um impacto mais significativo no cenário de informação quântica emocionante e em rápida evolução. "

A fim de desenvolver um sistema totalmente elétrico, plataforma fotônica quântica all-on-chip, A Moody se propõe a integrar três tecnologias que foram desenvolvidas para diferentes plataformas e aplicativos. Os componentes são fontes de fóton único de pontos quânticos eletricamente acionados, fotônica baseada em silício para operações ópticas, e detectores de fóton único nanofio supercondutores.

"Usaremos modelagem física para orientar o design e a fabricação do dispositivo, "disse ele." A espectroscopia óptica quântica nos dará uma visão sobre as propriedades dos materiais e fontes de ruído, e interferômetros ópticos no chip permitirão medições que nos permitem melhorar a pureza do material, monitore a fonte de luz e execute cálculos. Em última análise, queremos entender melhor e aproveitar todas as vantagens que a mecânica quântica pode fornecer para computação e rede. "

De acordo com Moody, a nova tecnologia também pode ter impactos transformadores em áreas como fontes de luz quântica prontas para usar para comunicações seguras, e para reduzir o tamanho, peso e consumo de energia de dispositivos fotônicos clássicos, como lasers e LEDs.