La fibra ottica potrebbe aumentare la potenza dei computer quantistici superconduttori
I fisici del NIST hanno misurato e controllato un bit quantistico superconduttore (qubit) usando una fibra conduttrice di luce (indicata da una freccia bianca) invece di cavi elettrici metallici come i 14 mostrati qui all'interno di un criostato. Utilizzando la fibra, i ricercatori potrebbero potenzialmente impacchettare un milione di qubit in un computer quantistico anziché solo poche migliaia. Credito: F. Lecocq/NIST
Il segreto per costruire computer quantistici superconduttori con un'enorme potenza di elaborazione potrebbe essere una normale tecnologia di telecomunicazione: la fibra ottica.
I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno misurato e controllato un bit quantistico superconduttore (qubit) utilizzando fibre conduttrici di luce invece di fili elettrici metallici, aprendo la strada all'impacchettamento di un milione di qubit in un computer quantistico piuttosto che in un semplice computer quantistico. poche migliaia. La manifestazione è descritta nel numero del 25 marzo di Natura.
I circuiti superconduttori sono una tecnologia leader per la realizzazione di computer quantistici perché sono affidabili e facilmente prodotti in serie. Ma questi circuiti devono funzionare a temperature criogeniche e gli schemi per collegarli all'elettronica a temperatura ambiente sono complessi e soggetti a surriscaldamento dei qubit. Si prevede che un computer quantistico universale, in grado di risolvere qualsiasi tipo di problema, necessiti di circa 1 milione di qubit. I criostati convenzionali - frigoriferi a diluizione superfredda - con cablaggio in metallo possono supportarne solo migliaia al massimo.
La fibra ottica, la spina dorsale delle reti di telecomunicazioni, ha un'anima in vetro o plastica che può trasportare un volume elevato di segnali luminosi senza condurre calore. Ma i computer quantistici superconduttori utilizzano impulsi a microonde per archiviare ed elaborare informazioni. Quindi la luce deve essere convertita con precisione in microonde.
Per risolvere questo problema, i ricercatori del NIST hanno combinato la fibra con alcuni altri componenti standard che convertono, convogliano e misurano la luce a livello di singole particelle, o fotoni, che potrebbero poi essere facilmente convertiti in microonde. Il sistema ha funzionato così come il cablaggio metallico e ha mantenuto i fragili stati quantistici del qubit.
"Penso che questo progresso avrà un grande impatto perché combina due tecnologie totalmente diverse, fotonica e qubit superconduttori, per risolvere un problema molto importante", ha affermato il fisico del NIST John Teufel. "La fibra ottica può anche trasportare molti più dati in un volume molto più piccolo rispetto al cavo convenzionale".
Normalmente, i ricercatori generano impulsi a microonde a temperatura ambiente e poi li forniscono attraverso cavi metallici coassiali a qubit superconduttori mantenuti criogenicamente. La nuova configurazione del NIST utilizzava una fibra ottica invece del metallo per guidare i segnali luminosi verso i fotorivelatori criogenici che riconvertevano i segnali in microonde e li consegnavano al qubit. Per scopi di confronto sperimentale, le microonde potrebbero essere instradate al qubit attraverso il collegamento fotonico o una normale linea coassiale.
Il qubit "transmone" utilizzato nell'esperimento sulle fibre era un dispositivo noto come giunzione Josephson incorporato in un serbatoio o cavità tridimensionale. Questa giunzione è costituita da due metalli superconduttori separati da un isolante. In determinate condizioni una corrente elettrica può attraversare la giunzione e oscillare avanti e indietro. Applicando una certa frequenza a microonde, i ricercatori possono guidare il qubit tra stati di bassa energia e stati eccitati (1 o 0 nell'informatica digitale). Questi stati si basano sul numero di coppie di Cooper - coppie di elettroni legati con proprietà opposte - che si sono "tunnellate" attraverso la giunzione.
Il team del NIST ha condotto due tipi di esperimenti, utilizzando il collegamento fotonico per generare impulsi a microonde che misuravano o controllavano lo stato quantistico del qubit. Il metodo si basa su due relazioni: la frequenza con cui le microonde rimbalzano naturalmente avanti e indietro nella cavità, chiamata frequenza di risonanza, dipende dallo stato del qubit. E la frequenza alla quale i qubit commutano gli stati dipende dal numero di fotoni nella cavità.
I ricercatori hanno generalmente iniziato gli esperimenti con un generatore di microonde. Per controllare lo stato quantistico del qubit, dispositivi chiamati modulatori elettro-ottici hanno convertito le microonde in frequenze ottiche più elevate. Questi segnali luminosi sono passati attraverso la fibra ottica dalla temperatura ambiente a 4 kelvin (meno 269 C o meno 452 F) fino a 20 millikelvin (millesimi di kelvin), dove sono atterrati in fotorivelatori a semiconduttore ad alta velocità, che hanno riconvertito i segnali luminosi in microonde che sono state poi inviate al circuito quantistico.
In questi esperimenti, i ricercatori hanno inviato segnali al qubit alla sua frequenza di risonanza naturale, per metterlo nello stato quantico desiderato. Il qubit oscillava tra il suo stato terra ed eccitato quando c'era una potenza laser adeguata.
Per misurare lo stato del qubit, i ricercatori hanno utilizzato un laser a infrarossi per lanciare luce a un livello di potenza specifico attraverso i modulatori, la fibra e i fotorilevatori per misurare la frequenza di risonanza della cavità.
I ricercatori hanno prima iniziato a far oscillare il qubit, con la potenza del laser soppressa, quindi hanno utilizzato il collegamento fotonico per inviare un debole impulso a microonde nella cavità. La frequenza della cavità indicava accuratamente lo stato del qubit il 98% delle volte, lo stesso precisione come ottenuto utilizzando la linea coassiale regolare.
I ricercatori immaginano un processore quantistico in cui la luce nelle fibre ottiche trasmette segnali da e verso i qubit, con ciascuna fibra che ha la capacità di trasportare migliaia di segnali da e verso il qubit.
Riferimento: "Control and readout of a superconducting qubit using a photonic link" di F. Lecocq, F. Quinlan, K. Cicak, J. Aumentado, SA Diddams e JD Teufel, 24 marzo 2021, Natura.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03268-x
