Az optikai szál növelheti a szupravezető kvantumszámítógépek teljesítményét
A NIST fizikusai egy szupravezető kvantumbitet (qubit) mértek és szabályoztak fényvezető szálak segítségével (amelyet fehér nyíl jelzi) fém elektromos kábelek helyett, mint amilyen az itt látható 14 kriosztát belsejében. Az üvegszál használatával a kutatók esetleg egymillió kubitet tudnának becsomagolni egy kvantumszámítógépbe, nem pedig néhány ezret. Köszönetnyilvánítás: F. Lecocq/NIST
A hatalmas feldolgozási teljesítménnyel rendelkező szupravezető kvantumszámítógépek építésének titka egy közönséges távközlési technológia – optikai szál – lehet.
Az Országos Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) fizikusai fém elektromos vezetékek helyett fényvezető szálak segítségével mértek és szabályoztak egy szupravezető kvantumbitet (qubit), ezzel megnyitva az utat egy millió kubit kvantumszámítógépbe való becsomagolásához, nem csupán pár ezer. A demonstrációt a március 25-i szám ismerteti Természet.
A szupravezető áramkörök a kvantumszámítógépek gyártásának egyik vezető technológiája, mivel megbízhatóak és könnyen tömeggyártásúak. De ezeknek az áramköröknek kriogén hőmérsékleten kell működniük, és a szobahőmérsékletű elektronikához való huzalozásuk bonyolult és hajlamos a qubitek túlmelegedésére. Egy univerzális kvantumszámítógéphez, amely bármilyen típusú probléma megoldására képes, körülbelül 1 millió qubitre van szükség. A hagyományos kriosztátok – szuperhideg hígítású hűtőszekrények – fém huzalozással legfeljebb ezreket képesek támogatni.
Az optikai szál, a távközlési hálózatok gerince, üveg vagy műanyag maggal rendelkezik, amely nagy mennyiségű fényjelet képes továbbítani anélkül, hogy hőt vezetne. A szupravezető kvantumszámítógépek azonban mikrohullámú impulzusokat használnak az információk tárolására és feldolgozására. Tehát a fényt pontosan mikrohullámmá kell alakítani.
A probléma megoldására a NIST kutatói egyesítették a szálat néhány más szabványos komponenssel, amelyek átalakítják, továbbítják és mérik a fényt egyes részecskék vagy fotonok szintjén, amelyeket aztán könnyen mikrohullámokká alakítanak át. A rendszer ugyanúgy működött, mint a fémhuzalozás, és fenntartotta a qubit törékeny kvantumállapotait.
"Úgy gondolom, hogy ennek az előrelépésnek nagy hatása lesz, mert két teljesen különböző technológiát, a fotonikát és a szupravezető qubiteket ötvözi egy nagyon fontos probléma megoldására" - mondta John Teufel, a NIST fizikusa. „Az optikai szál sokkal több adatot is képes szállítani sokkal kisebb mennyiségben, mint a hagyományos kábel.”
Általában a kutatók szobahőmérsékleten mikrohullámú impulzusokat generálnak, majd koaxiális fémkábeleken keresztül kriogén karbantartott szupravezető qubitekhez juttatják el. Az új NIST-beállítás fém helyett optikai szálat használt, hogy a fényjeleket kriogén fotodetektorokhoz irányítsa, amelyek a jeleket mikrohullámmá alakították vissza, és továbbították a qubitbe. Kísérleti összehasonlítás céljából a mikrohullámokat a fotonikus kapcsolaton vagy egy szabályos koaxiális vonalon keresztül a qubithez lehet irányítani.
A szálkísérletben használt „transzmon” qubit egy Josephson-csomópontként ismert eszköz volt, amelyet háromdimenziós tartályba vagy üregbe ágyaztak be. Ez a csomópont két szupravezető fémből áll, amelyeket szigetelő választ el egymástól. Bizonyos körülmények között elektromos áram keresztezheti a csomópontot, és ide-oda oszcillálhat. Egy bizonyos mikrohullámú frekvencia alkalmazásával a kutatók a qubitet az alacsony energiájú és a gerjesztett állapotok között tudják mozgatni (digitális számítástechnikában 1 vagy 0). Ezek az állapotok azon Cooper-párok számán alapulnak, amelyek ellentétes tulajdonságokkal kötött elektronpárok, amelyek áthaladtak a csomóponton.
A NIST csapata kétféle kísérletet végzett, a fotonikus kapcsolat segítségével mikrohullámú impulzusokat generálva, amelyek vagy mérik vagy szabályozzák a qubit kvantumállapotát. A módszer két összefüggésen alapul: A mikrohullámok természetes visszaverődésének gyakorisága az üregben, az úgynevezett rezonanciafrekvencia, a qubit állapotától függ. A qubit állapotváltásának gyakorisága pedig az üregben lévő fotonok számától függ.
A kutatók általában mikrohullámú generátorral kezdték a kísérleteket. A qubit kvantumállapotának szabályozására az elektrooptikai modulátoroknak nevezett eszközök a mikrohullámokat magasabb optikai frekvenciákra alakították át. Ezek a fényjelek az optikai szálon keresztül szobahőmérsékletről 4 kelvinre (mínusz 269 C vagy mínusz 452 F) 20 millikelvinre (kelvin ezredrészére) áramlottak, ahol nagy sebességű félvezető fotodetektorokban landoltak, amelyek a fényjeleket visszaalakították mikrohullámokat, amelyeket aztán a kvantumkörbe küldtek.
Ezekben a kísérletekben a kutatók jeleket küldtek a qubitnek a természetes rezonancia frekvenciáján, hogy a kívánt kvantumállapotba kerüljön. A qubit alapállapota és gerjesztett állapota között oszcillált, amikor megfelelő lézerteljesítmény volt.
A qubit állapotának mérésére a kutatók infravörös lézerrel fényt bocsátottak ki meghatározott teljesítményszinten a modulátorokon, szálakon és fotodetektorokon keresztül, hogy megmérjék az üreg rezonanciafrekvenciáját.
A kutatók először elindították a qubit oszcillációját a lézerteljesítmény elnyomásával, majd a fotonikus kapcsolat segítségével gyenge mikrohullámú impulzust küldtek az üregbe. Az üregfrekvencia az esetek 98%-ában pontosan jelezte a qubit állapotát, ugyanez pontosság amint azt a szabályos koaxiális vonal segítségével kaptuk.
A kutatók egy olyan kvantumprocesszort képzelnek el, amelyben az optikai szálakban lévő fény jeleket továbbít a qubitek felé és onnan, és mindegyik szál több ezer jelet képes továbbítani a qubitre és onnan vissza.
Hivatkozás: „Szupravezető qubit vezérlése és kiolvasása fotonikus kapcsolat segítségével”, F. Lecocq, F. Quinlan, K. Cicak, J. Aumentado, SA Diddams és JD Teufel, 24. március 2021. Természet.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03268-x
