Оптичне волокно може збільшити потужність надпровідних квантових комп’ютерів
Фізики NIST вимірювали та керували надпровідним квантовим бітом (кубітом), використовуючи світлопровідне волокно (позначене білою стрілкою) замість металевих електричних кабелів, таких як 14, показаних тут, усередині кріостата. Використовуючи волокно, дослідники потенційно могли б упакувати мільйон кубітів у квантовий комп’ютер, а не лише кілька тисяч. Авторство: F. Lecocq/NIST
Секретом створення надпровідних квантових комп’ютерів із величезною обчислювальною потужністю може бути звичайна телекомунікаційна технологія — оптичне волокно.
Фізики з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) виміряли та керували надпровідним квантовим бітом (кубітом), використовуючи світлопровідне волокно замість металевих електричних проводів, прокладаючи шлях до упаковки мільйона кубітів у квантовий комп’ютер, а не просто в комп’ютер. кілька тисяч. Про демонстрацію йдеться у випуску від 25 березня природа.
Надпровідні схеми є провідною технологією для створення квантових комп’ютерів, оскільки вони надійні та легко виготовляються масово. Але ці схеми повинні працювати при кріогенних температурах, а схеми їх підключення до електроніки кімнатної температури складні та схильні до перегріву кубітів. Очікується, що для універсального квантового комп’ютера, здатного вирішувати будь-які проблеми, знадобиться близько 1 мільйона кубітів. Звичайні кріостати — холодильники з надхолодним розбавленням — із металевою проводкою можуть підтримувати щонайбільше тисячі.
Оптичне волокно, основа телекомунікаційних мереж, має скляну або пластикову серцевину, яка може передавати велику кількість світлових сигналів, не проводячи тепла. Але надпровідні квантові комп’ютери використовують мікрохвильові імпульси для зберігання та обробки інформації. Отже, світло потрібно перетворювати саме на мікрохвилі.
Щоб вирішити цю проблему, дослідники NIST поєднали волокно з кількома іншими стандартними компонентами, які перетворюють, передають і вимірюють світло на рівні окремих частинок або фотонів, які потім можна легко перетворити на мікрохвилі. Система працювала так само добре, як металева проводка, і підтримувала крихкі квантові стани кубіта.
«Я думаю, що цей прогрес матиме великий вплив, оскільки він поєднує дві абсолютно різні технології, фотоніку та надпровідні кубіти, щоб вирішити дуже важливу проблему», — сказав фізик NIST Джон Тойфель. «Оптичне волокно також може передавати набагато більше даних у набагато меншому обсязі, ніж звичайний кабель».
Зазвичай дослідники генерують мікрохвильові імпульси при кімнатній температурі, а потім доставляють їх через коаксіальні металеві кабелі до кріогенно підтримуваних надпровідних кубітів. Нова установка NIST використовувала оптичне волокно замість металу для направлення світлових сигналів до кріогенних фотодетекторів, які перетворювали сигнали назад у мікрохвилі та доставляли їх до кубіту. Для експериментальних цілей порівняння мікрохвилі можна направити до кубіта або через фотонну лінію, або через звичайну коаксіальну лінію.
«Трансмон» кубіт, який використовувався в експерименті з волокном, був пристроєм, відомим як джозефсонівський з’єднання, вбудованим у тривимірний резервуар або порожнину. Цей з’єднання складається з двох надпровідних металів, розділених ізолятором. За певних умов електричний струм може перетинати перехід і коливатися вперед і назад. Застосовуючи певну мікрохвильову частоту, дослідники можуть перевести кубіт між низькоенергетичним і збудженим станами (1 або 0 у цифрових обчисленнях). Ці стани базуються на кількості куперівських пар — зв’язаних пар електронів із протилежними властивостями — які «тунелювали» через з’єднання.
Команда NIST провела два типи експериментів, використовуючи фотонний зв’язок для генерації мікрохвильових імпульсів, які або вимірювали, або контролювали квантовий стан кубіта. Метод заснований на двох співвідношеннях: частота, з якою мікрохвилі природним чином відбиваються назад і вперед у порожнині, називається резонансною частотою, залежить від стану кубіта. І частота, з якою кубіт перемикає стани, залежить від кількості фотонів у порожнині.
Дослідники зазвичай починали експерименти з мікрохвильового генератора. Щоб контролювати квантовий стан кубіта, пристрої, які називаються електрооптичними модуляторами, перетворювали мікрохвилі на вищі оптичні частоти. Ці світлові сигнали проходили через оптичне волокно від кімнатної температури до 4 кельвінів (мінус 269 C або мінус 452 F) до 20 мілікельвінів (тисячних часток кельвіна), де вони потрапляли у високошвидкісні напівпровідникові фотодетектори, які перетворювали світлові сигнали назад у мікрохвилі, які потім надсилалися до квантової схеми.
У цих експериментах дослідники посилали сигнали кубіту на його природній резонансній частоті, щоб перевести його в потрібний квантовий стан. Кубіт коливався між основним і збудженим станами, коли була достатня потужність лазера.
Щоб виміряти стан кубіта, дослідники використовували інфрачервоний лазер для запуску світла певного рівня потужності через модулятори, оптоволокно та фотодетектори для вимірювання резонансної частоти порожнини.
Дослідники спочатку запустили кубіт в коливання з придушеною потужністю лазера, а потім використали фотонний зв’язок, щоб надіслати в резонатор слабкий мікрохвильовий імпульс. Частота резонатора точно показувала стан кубіта 98% часу, те саме точність як отримано за допомогою звичайної коаксіальної лінії.
Дослідники уявляють собі квантовий процесор, у якому світло в оптичних волокнах передає сигнали до та від кубітів, причому кожне волокно має здатність передавати тисячі сигналів до та від кубітів.
Довідка: «Керування та зчитування надпровідного кубіта за допомогою фотонного зв’язку» Ф. Лекока, Ф. Куїнлана, К. Чикака, Дж. Аументадо, С. А. Діддамса та Дж. Д. Тойфеля, 24 березня 2021 р., природа.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03268-x
