Optiese vesel kan die krag van supergeleidende kwantumrekenaars verhoog
NIST-fisici het 'n supergeleidende kwantumbietjie (qubit) gemeet en beheer deur liggeleidende vesel (aangedui deur wit pyl) in plaas van metaal elektriese kabels soos die 14 wat hier in 'n kryostaat getoon word. Deur vesel te gebruik, kan navorsers moontlik 'n miljoen qubits in 'n kwantumrekenaar pak eerder as net 'n paar duisend. Krediet: F. Lecocq/NIST
Die geheim van die bou van supergeleidende kwantumrekenaars met massiewe verwerkingskrag kan 'n gewone telekommunikasietegnologie wees - optiese vesel.
Fisici by die Nasionale Instituut vir Standaarde en Tegnologie (NIST) het 'n supergeleidende kwantumbit (qubit) gemeet en beheer deur liggeleidende vesel in plaas van metaal-elektriese drade te gebruik, wat die weg baan om 'n miljoen kwantumbits in 'n kwantumrekenaar te pak eerder as net 'n paar duisend. Die demonstrasie word beskryf in die uitgawe van 25 Maart van Aard.
Supergeleidende stroombane is 'n toonaangewende tegnologie vir die maak van kwantumrekenaars omdat dit betroubaar is en maklik in massa vervaardig word. Maar hierdie stroombane moet teen kryogeniese temperature werk, en skemas om hulle aan kamertemperatuur-elektronika te verbind is kompleks en geneig om die qubits te oorverhit. 'n Universele kwantumrekenaar, wat in staat is om enige tipe probleem op te los, sal na verwagting ongeveer 1 miljoen qubits benodig. Konvensionele kryostate - superkoue-verdunningsyskaste - met metaalbedrading kan hoogstens duisende ondersteun.
Optiese vesel, die ruggraat van telekommunikasienetwerke, het 'n glas- of plastiekkern wat 'n groot volume ligseine kan dra sonder om hitte te gelei. Maar supergeleidende kwantumrekenaars gebruik mikrogolfpulse om inligting te stoor en te verwerk. Die lig moet dus presies na mikrogolwe omgeskakel word.
Om hierdie probleem op te los, het NIST-navorsers die vesel gekombineer met 'n paar ander standaardkomponente wat lig omskakel, oordra en meet op die vlak van enkele deeltjies, of fotone, wat dan maklik in mikrogolwe omgeskakel kan word. Die stelsel het sowel as metaalbedrading gewerk en die qubit se brose kwantumtoestande gehandhaaf.
"Ek dink hierdie vooruitgang sal 'n groot impak hê, want dit kombineer twee totaal verskillende tegnologieë, fotonika en supergeleidende qubits, om 'n baie belangrike probleem op te los," het NIST-fisikus John Teufel gesê. "Optiese vesel kan ook baie meer data in 'n veel kleiner volume as konvensionele kabel dra."
Normaalweg genereer navorsers mikrogolfpulse by kamertemperatuur en lewer dit dan deur koaksiale metaalkabels na kriogeen onderhou supergeleidende qubits. Die nuwe NIST-opstelling het 'n optiese vesel in plaas van metaal gebruik om ligseine na kriogene fotodetektors te lei wat seine terug na mikrogolwe omgeskakel het en dit na die qubit afgelewer het. Vir eksperimentele vergelykingsdoeleindes kan mikrogolwe deur óf die fotoniese skakel óf 'n gewone koaksiale lyn na die qubit gelei word.
Die "transmon" qubit wat in die veseleksperiment gebruik is, was 'n toestel bekend as 'n Josephson-aansluiting wat in 'n driedimensionele reservoir of holte ingebed is. Hierdie aansluiting bestaan uit twee supergeleidende metale wat deur 'n isolator geskei word. Onder sekere omstandighede kan 'n elektriese stroom die aansluiting kruis en kan heen en weer ossilleer. Deur 'n sekere mikrogolffrekwensie toe te pas, kan navorsers die kwbit tussen lae-energie en opgewonde toestande (1 of 0 in digitale rekenaars) bestuur. Hierdie toestande is gebaseer op die aantal Cooper-pare - gebonde pare elektrone met teenoorgestelde eienskappe - wat oor die aansluiting "getonnel" het.
Die NIST-span het twee tipes eksperimente uitgevoer, met behulp van die fotoniese skakel om mikrogolfpulse te genereer wat die kwantumtoestand van die qubit gemeet of beheer het. Die metode is gebaseer op twee verwantskappe: Die frekwensie waarteen mikrogolwe natuurlik heen en weer in die holte bons, wat die resonansiefrekwensie genoem word, hang af van die kwbit-toestand. En die frekwensie waarteen die qubit toestande oorskakel hang af van die aantal fotone in die holte.
Navorsers het oor die algemeen die eksperimente met 'n mikrogolfgenerator begin. Om die kwantumtoestand van die kwantum te beheer, het toestelle genaamd elektro-optiese modulators mikrogolwe omgeskakel na hoër optiese frekwensies. Hierdie ligseine het deur optiese vesel gestroom vanaf kamertemperatuur tot 4 kelvin (minus 269 C of minus 452 F) tot 20 millikelvin (duisendstes van 'n kelvin), waar hulle in hoëspoed-halfgeleierfotodetektore beland het, wat die ligseine teruggeskakel het na mikrogolwe wat dan na die kwantumkring gestuur is.
In hierdie eksperimente het navorsers seine na die qubit gestuur teen sy natuurlike resonansiefrekwensie, om dit in die verlangde kwantumtoestand te plaas. Die qubit het tussen sy grond en opgewekte toestande geossilleer toe daar voldoende laserkrag was.
Om die qubit se toestand te meet, het navorsers 'n infrarooi laser gebruik om lig op 'n spesifieke kragvlak deur die modulators, vesel en fotodetektors te lanseer om die holte se resonansiefrekwensie te meet.
Navorsers het eers die qubit begin ossilleer, met die laserkrag onderdruk, en toe die fotoniese skakel gebruik om 'n swak mikrogolfpuls na die holte te stuur. Die holte frekwensie het die qubit se toestand 98% van die tyd akkuraat aangedui, dieselfde akkuraatheid soos verkry met behulp van die gewone koaksiale lyn.
Die navorsers stel 'n kwantumverwerker voor waarin lig in optiese vesels seine na en van die qubits oordra, met elke vesel wat die kapasiteit het om duisende seine na en van die qubit te dra.
Verwysing: “Control and readout of a superconducting qubit using a photonic link” deur F. Lecocq, F. Quinlan, K. Cicak, J. Aumentado, SA Diddams en JD Teufel, 24 Maart 2021, Aard.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03268-x
