Оптическое волокно может увеличить мощность сверхпроводящих квантовых компьютеров
Физики NIST измерили и контролировали сверхпроводящий квантовый бит (кубит), используя светопроводящее волокно (обозначено белой стрелкой) вместо металлических электрических кабелей, таких как 14, показанные здесь, внутри криостата. Используя оптоволокно, исследователи потенциально могут упаковать в квантовый компьютер миллион кубитов, а не несколько тысяч. Предоставлено: Ф. Лекок / NIST.
Секретом создания сверхпроводящих квантовых компьютеров с огромной вычислительной мощностью может быть обычная телекоммуникационная технология - оптическое волокно.
Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) измерили и контролировали сверхпроводящий квантовый бит (кубит), используя световодное волокно вместо металлических электрических проводов, проложив путь к упаковке миллиона кубитов в квантовый компьютер, а не просто в квантовый компьютер. несколько тысяч. Демонстрация описана в номере журнала от 25 марта. Природа.
Сверхпроводящие схемы являются ведущей технологией для создания квантовых компьютеров, поскольку они надежны и легко производятся массово. Но эти схемы должны работать при криогенных температурах, а схемы их подключения к электронике, работающей при комнатной температуре, сложны и склонны к перегреву кубитов. Ожидается, что универсальному квантовому компьютеру, способному решать любые задачи, потребуется около 1 миллиона кубитов. Обычные криостаты - холодильники сверххолодного разбавления - с металлической проводкой могут поддерживать не более тысячи.
Оптическое волокно, являющееся основой телекоммуникационных сетей, имеет стеклянную или пластмассовую сердцевину, которая может передавать большой объем световых сигналов, не проводя тепла. Но сверхпроводящие квантовые компьютеры используют микроволновые импульсы для хранения и обработки информации. Поэтому свет нужно преобразовывать именно в микроволны.
Чтобы решить эту проблему, исследователи NIST объединили волокно с несколькими другими стандартными компонентами, которые преобразуют, передают и измеряют свет на уровне отдельных частиц или фотонов, которые затем можно легко преобразовать в микроволны. Система работала так же хорошо, как и металлическая проводка, и поддерживала хрупкие квантовые состояния кубита.
«Я думаю, что этот прогресс будет иметь большое значение, потому что он сочетает в себе две совершенно разные технологии, фотонику и сверхпроводящие кубиты, для решения очень важной проблемы», - сказал физик NIST Джон Тойфель. «Оптическое волокно также может передавать гораздо больше данных в гораздо меньшем объеме, чем обычный кабель».
Обычно исследователи генерируют микроволновые импульсы при комнатной температуре, а затем доставляют их через коаксиальные металлические кабели к сверхпроводящим кубитам, находящимся в криогенном состоянии. В новой установке NIST использовалось оптическое волокно вместо металла для направления световых сигналов к криогенным фотодетекторам, которые преобразовывали сигналы обратно в микроволны и доставляли их на кубит. В целях экспериментального сравнения микроволны могут быть направлены на кубит либо через фотонную связь, либо через обычную коаксиальную линию.
«Трансмонный» кубит, использованный в волоконном эксперименте, был устройством, известным как джозефсоновский переход, встроенным в трехмерный резервуар или полость. Этот переход состоит из двух сверхпроводящих металлов, разделенных диэлектриком. При определенных условиях электрический ток может пересекать переход и колебаться взад и вперед. Применяя определенную микроволновую частоту, исследователи могут переводить кубит между низкоэнергетическим и возбужденным состояниями (1 или 0 в цифровых вычислениях). Эти состояния основаны на количестве куперовских пар - связанных пар электронов с противоположными свойствами - которые «туннелировали» через переход.
Команда NIST провела два типа экспериментов, используя фотонную связь для генерации микроволновых импульсов, которые либо измеряли, либо контролировали квантовое состояние кубита. Этот метод основан на двух соотношениях: частота, с которой микроволны естественным образом отражаются назад и вперед в полости, называемая резонансной частотой, зависит от состояния кубита. А частота, с которой кубит переключает состояния, зависит от количества фотонов в резонаторе.
Обычно исследователи начинали эксперименты с микроволнового генератора. Чтобы контролировать квантовое состояние кубита, устройства, называемые электрооптическими модуляторами, преобразовывали микроволны в более высокие оптические частоты. Эти световые сигналы проходили через оптическое волокно от комнатной температуры до 4 кельвинов (минус 269 C или минус 452 F) до 20 милликельвинов (тысячных долей кельвина), где они попадали в высокоскоростные полупроводниковые фотодетекторы, которые преобразовывали световые сигналы обратно в микроволны, которые затем отправлялись в квантовый контур.
В этих экспериментах исследователи отправляли сигналы кубиту на его естественной резонансной частоте, чтобы перевести его в желаемое квантовое состояние. Кубит колебался между своим основным и возбужденным состояниями при достаточной мощности лазера.
Чтобы измерить состояние кубита, исследователи использовали инфракрасный лазер для запуска света с определенным уровнем мощности через модуляторы, волокна и фотодетекторы для измерения резонансной частоты полости.
Исследователи сначала запустили колебание кубита при подавлении мощности лазера, а затем использовали фотонную связь, чтобы послать в резонатор слабый микроволновый импульс. Частота резонатора точно показывала состояние кубита в 98% случаев, то же самое точность как получено при использовании обычной коаксиальной линии.
Исследователи представляют себе квантовый процессор, в котором свет в оптических волокнах передает сигналы к кубитам и от них, причем каждое волокно способно передавать тысячи сигналов к кубиту и от него.
Ссылка: «Управление и считывание сверхпроводящего кубита с использованием фотонной связи» Ф. Лекока, Ф. Куинлана, К. Чичака, Дж. Аументадо, С. А. Диддамса и Дж. Д. Тойфеля, 24 марта 2021 г., Природа.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03268-x
