Topologiaa fotonisissa integroiduissa piireissä

Soulin kansallisen yliopiston professorien Sunkyu Yun ja Namkyoo Parkin johtama tutkimusryhmä on yhteistyössä Soulin ja ja Exeterin yliopistojen kumppaneiden kanssa onnistuneesti toteuttanut ohjelmoitavan spinorihilan fotoniselle integroidulle piirille (PIC).

Tämän saavutuksen avulla tutkimusryhmä osoitti, että topologisten kubittien toimintaperiaatteita voidaan emuloida klassisesti, ja ehdotti edelleen mahdollisuutta toteuttaa uusia topologisia fysikaalisia ilmiöitä, jotka eroavat aiemmin tunnetuista toteutuksista.

Fotonisia integroituja piirejä koskevaa tutkimusta on tehty aktiivisesti. Valon herkkyys vioille ja virheille on kuitenkin asettanut merkittäviä haasteita käytännön toteutukselle. Vaihtoehtona on alettu kiinnittämään huomiota topologisten ominaisuuksien hyödyntämiseen vikasietoisen ja vakaan optisen laskennan toteuttamiseksi.

Tarvittavien ei-Abelin ominaisuuksien toteuttaminen vaatii tarkkaa ohjausta useiden valon sisäisten vapausasteiden välillä, jotka ilmaistaan matriiseilla, jotka sisältävät sekä amplitudi- että vaiheinformaatiot. Tähän mennessä ei ole kuitenkaan ole kehitetty systemaattista suunnittelumenetelmää, joka pystyisi tukemaan tällaista ohjausta.

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi tutkimusryhmä esitti ensimmäistä kertaa fotonisen integroidun piirin käsitteen, joka mahdollistaa valon fysikaalisten ominaisuuksien välisten kytkentöjen universaalin, matriisiarvoisen hallinnan, ja löysi sekä toteutti onnistuneesti uusia ei-abelilaisia dynamiikkoja ja topologisia fotonisia ominaisuuksia.

Tämä tutkimus on merkittävä siinä mielessä, että se osoittaa suoran yhteyden topologisen fysiikan, ei-abelilaisen dynamiikan ja uudelleenkonfiguroitavien fotonisten integroitujen piirien välille. Erityisesti se tarjoaa keinon vähentää toistuvia hienosäätö- ja vakauttamiskustannuksia, jotka ovat olleet väistämättömiä perinteisissä virheille herkissä fotonisissa laskentajärjestelmissä.

Ehdotettu alusta tarjoaa myös suunnitteluvapautta, joka samanaikaisesti täyttää vankan ja virheettömän toiminnan sekä joustavan ja käyttäjän määrittelemän ohjauksen vaatimukset.

Lisäksi, jäljittelemällä klassisesti ei-abelilaisia ilmiöitä optisessa järjestelmässä, tämän työn odotetaan mahdollistavan monimutkaisten topologisten kvanttioperaatioiden, kuten ei-abelilaisen punonnan, tulevan todentamisen ja helpottavan topologisiin periaatteisiin perustuvan korkeaulotteisen tiedonkäsittelyn ja fotonisen laskennan toteuttamista.

Vastaavat kirjoittajat, professori Sunkyu Yu ja professori Namkyoo Park, totesivat: ”Tämä tutkimus maksimoi onnistuneesti fotonisissa integroiduissa piireissä toteutettavien topologisten vapausasteiden alueen”, ja lisäsivät: ”Pitkän aikavälin tavoitteemme on toteuttaa vikasietoinen fotoninen tekoäly piipohjaisissa fotonisissa integroiduissa piireissä.”

Aiheesta aiemmin:

Kohti topologista kvanttilaskentaa