Nye horisonter for at forbinde fremtidige kvantecomputere til et kvantenetværk

Forskere under ledelse af Delft University of Technology personale har taget to trin i konverteringen af ​​kvantetilstande mellem signaler i mikrobølgeovnen og optiske domæner. Dette er af stor interesse for at forbinde fremtidige superledende kvantecomputere til et globalt kvantenetværk. I denne uge rapporterer de om deres fund i Naturfysik og i Fysisk gennemgangsbreve .

Konvertering mellem signaler i mikrobølgeovnen og optiske domæner er af stor interesse, især til at forbinde fremtidige superledende kvantecomputere til et globalt kvantenetværk. Mange førende e -orter inden for kvanteteknologier, herunder superledende qubits og kvantepunkter, dele kvanteinformation via fotoner i mikrobølgeregimet. Selvom dette giver mulighed for en imponerende grad af kvantekontrol, det begrænser også den afstand, oplysningerne realistisk kan tilbagelægge, før de går tabt til få centimeter.

På samme tid, feltet optisk kvantekommunikation har allerede set demonstrationer over afstandsskalaer, der kan levere virkelige applikationer. Ved at overføre oplysninger i det optiske telekommunikationsbånd, fiberbaserede kvantenetværk over tiere eller endda hundredvis af kilometer kan påtænkes. "For at forbinde flere kvanteberegningsknudepunkter over store afstande til et kvanteinternet, det er derfor vigtigt at kunne konvertere kvanteinformation fra mikrobølgeovnen til det optiske domæne, og tilbage, "siger prof. Simon Groeblacher fra Delft University of Technology." Dette vil ikke kun være ekstremt interessant for kvanteapplikationer, men også for yderst effektiv, lav støjkonvertering mellem klassiske optiske og elektriske signaler. "

Grundtilstanden

Flere lovende tilgange er blevet taget for at realisere en mikrobølge til optisk konverter, for eksempel ved at forsøge at koble signalerne gennem et mekanisk system (oscillator). Men de har hidtil alle opereret med en betydelig termisk støjbaggrund. "Vi har overvundet denne begrænsning og demonstreret sammenhængende konvertering mellem GHz mikrobølgesignaler og det optiske telekommunikationsbånd med minimal termisk baggrundsstøj, "Moritz Forsch, en af ​​de to hovedforfattere på publikationerne, forklarer.

For at opnå dette, det var nødvendigt at afkøle den mekaniske oscillator til bevægelsestilstanden kvantejord. Den lave termiske besættelse danner grundlaget for kvantekontrol over mekaniske tilstande. Rob Stockill, den anden hovedforfatter, fortsætter:"Vi bruger en integreret, on-chip elektro-opto-mekanisk enhed, der kobler overfladeakustiske bølger drevet af et resonant mikrobølgesignal til en optomekanisk krystal. Vi initialiserer den mekaniske tilstand i sin kvantejordstilstand, som giver os mulighed for at udføre transduktionsprocessen med minimal tilføjet termisk støj, samtidig med, at mikrobølgefotoner, der er kortlagt i den mekaniske resonator, effektivt konverteres til det optiske domæne. "

Piezoelektriske materialer

Groeblachers team har for nylig taget endnu et skridt fremad på dette område, ved at fokusere på brugen af ​​nye piezoelektriske materialer. Disse materialer, hvor elektriske felter produceres på grund af mekanisk belastning, kunne have stor interesse for transduktion af kvanteinformation mellem forskellige bærere. Den elektromekaniske kobling muliggør i princippet transduktion af en kvantetilstand mellem mikrobølgeovnen og de optiske frekvensdomæner i dette materiale. En lovende tilgang er derfor at bygge integrerede piezoelektriske opto-mekaniske enheder, der derefter kobles til mikrobølge kredsløb.

"Vi har designet og karakteriseret en sådan piezoelektrisk optomekanisk enhed fremstillet af galliumphosphid, hvor en mekanisk tilstand på 2,9 GHz er koblet til en optisk resonator med høj kvalitet i telekommunikationsbåndet. Den store elektroniske båndgap og den resulterende lave optiske absorption af dette nye materiale, på niveau med enheder fremstillet af silicium, giver os mulighed for at demonstrere strukturens kvanteadfærd, "siger prof. Groeblacher.

Næste skridt

Enheden fremstillet af galliumphosphid (GaP) overgår langt de nuværende resultater i GaA'er eller andre piezoelektriske materialer, der typisk bruges i lignende fremgangsmåder. Det næste trin for forskerne er at bygge videre på den vellykkede drift af GaP -enheden i dette parameterregime og yderligere undersøge brugen af ​​dette spændende materiale. I betragtning af den brede elektroniske båndgap og piezoelektriske egenskaber ved GaP, disse forskningsresultater åbner døren for nye kvanteeksperimenter samt potentialet for at bruge sådanne anordninger til mikrobølge-til-optik-konvertering af enkelte fotoner.

Udgivelsen i Naturfysik var et samarbejde mellem Delft University of Technology, universitetet i Wien, Eindhoven University of Technology og NIST.

Udgivelsen i Fysisk gennemgangsbreve var et samarbejde mellem Delft University of Technology, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay og Université de Paris.