Styr ioner til kvanteberegning og sensing via fiberoptik på chip

Gå ind i et kvantelaboratorium, hvor forskere fanger ioner, og du finder bordplader fulde af spejle og linser, alle fokuseringslasere til at ramme en ion "fanget" på plads over en chip. Ved at bruge lasere til at kontrollere ioner, forskere har lært at udnytte ioner som kvantebits, eller qubits, den grundlæggende dataenhed i en kvantecomputer. Men denne laseropsætning holder nu forskningen tilbage - hvilket gør det svært at eksperimentere med mere end et par ioner og tage disse systemer ud af laboratoriet til reel brug.

Nu, Lincoln Laboratory -forskere har udviklet en kompakt måde at levere laserlys til fangede ioner. I et papir udgivet i Natur , forskerne beskriver en fiberoptisk blok, der tilsluttes ion-fældechippen, koblingslys til optiske bølgeledere fremstillet i selve chippen. Gennem disse bølgeledere, flere bølgelængder af lys kan dirigeres gennem chippen og frigives for at ramme ionerne over den.

"Det er klart for mange mennesker på området, at den konventionelle tilgang, ved hjælp af ledig optik som spejle og linser, vil kun gå så langt, "siger Jeremy Sage, en forfatter på papiret og ledende medarbejdere i Lincoln Laboratory's Quantum Information and Integrated Nanosystems Group. "Hvis lyset i stedet bringes på chippen, den kan ledes rundt til de mange steder, hvor den skal være. Den integrerede levering af mange bølgelængder kan føre til en meget skalerbar og bærbar platform. Vi viser for første gang, at det kan lade sig gøre. "

Flere farver

Computing med fangede ioner kræver præcis styring af hver ion uafhængigt. Frirumsoptik har fungeret godt, når man kontrollerer et par ioner i en kort endimensionel kæde. Men når man rammer en enkelt ion blandt en større eller todimensionel klynge, uden at ramme sine naboer, er ekstremt svært. Når man forestiller sig en praktisk kvantecomputer, der kræver tusinder af ioner, denne laserstyringsopgave virker upraktisk.

Det truende problem fik forskere til at finde en anden måde. I 2016, Lincoln Laboratory og MIT-forskere demonstrerede en ny chip med indbygget optik. De fokuserede en rød laser på chippen, hvor bølgeledere på chippen førte lyset til en gitterkobling, en slags rumlen strimmel for at stoppe lyset og lede det op til ion.

Rødt lys er afgørende for at udføre en grundlæggende operation kaldet en kvanteport, som holdet udførte i den første demonstration. Men op til seks lasere i forskellige farver er nødvendige for at gøre alt, hvad der kræves til kvanteberegning:forbered ion, køle det ned, læse dens energitilstand, og udføre kvanteporte. Med denne nyeste chip, holdet har udvidet deres principbevis til resten af ​​disse krævede bølgelængder, fra violet til nær-infrarød.

"Med disse bølgelængder, vi var i stand til at udføre det grundlæggende sæt operationer, som du har brug for for at kunne kontrollere fangede ioner, "siger John Chiaverini, også en forfatter på papiret. Den ene operation de ikke udførte, en to-qubit port, blev demonstreret af et team på ETH Zürich ved hjælp af en chip, der ligner 2016 -arbejdet, og er beskrevet i et papir i samme Natur problem. "Dette arbejde sammen med vores viser, at du har alle de ting, du har brug for til at begynde at bygge større fangede ion-arrays, "Tilføjer Chiaverini.

Fiberoptik

For at gøre springet fra en til flere bølgelængder, teamet konstruerede en metode til at binde en fiberoptisk blok direkte til siden af ​​chippen. Blokken består af fire optiske fibre, hver enkelt specifik for et bestemt område af bølgelængder. Disse fibre står på linje med en tilsvarende bølgeleder mønstret direkte på chippen.

"At få fiberblokmatrixen justeret til bølgelederne på chippen og påføring af epoxy føltes som at udføre kirurgi. Det var en meget delikat proces. Vi havde omkring en halv mikron tolerance, og den skulle overleve nedkøling til 4 Kelvin, "siger Robert Niffenegger, der ledede eksperimenterne og er førsteforfatter på papiret.

Oven på bølgelederne sidder et glaslag. Oven på glasset er metalelektroder, som producerer elektriske felter, der holder ion på plads; huller skæres ud af metallet over gitterkoblerne, hvor lyset frigives. Hele enheden blev fremstillet i Microelectronics Laboratory ved Lincoln Laboratory.

Design af bølgeledere, der kunne levere lyset til ionerne med lavt tab, undgå absorption eller spredning, var en udfordring, da tab har en tendens til at stige med blåere bølgelængder. "Det var en proces med at udvikle materialer, mønster af bølgeledere, teste dem, måling af ydeevne, og prøver igen. Vi var også nødt til at sikre, at bølgeledernes materialer ikke kun fungerede med de nødvendige lysbølgelængder, men også at de ikke forstyrrede metalelektroderne, der fanger ion, "Siger Sage.

Skalerbar og bærbar

Teamet ser nu frem til, hvad de kan gøre med denne fuldt lysintegrerede chip. For en, "lav mere, "siger Niffenegger." At flise disse chips ind i et array kunne samle mange flere ioner, hver kan kontrolleres præcist, åbner døren til mere kraftfulde kvantecomputere. "

Daniel Slichter, en fysiker ved National Institute of Standards and Technology, der ikke var involveret i denne forskning, siger, "Denne let skalerbare teknologi muliggør komplekse systemer med mange laserstråler til parallelle operationer, alt automatisk justeret og robust til vibrationer og miljøforhold, og vil efter min opfattelse være afgørende for at realisere fangede ionkvanteprocessorer med tusindvis af qubits. "

En fordel ved denne laserintegrerede chip er, at den iboende er modstandsdygtig over for vibrationer. Med eksterne lasere, enhver vibration til laseren ville få den til at savne ion, ligesom enhver vibration til chippen. Nu hvor laserstrålerne og chippen er koblet sammen, virkningerne af vibrationer annulleres effektivt.

Denne stabilitet er vigtig for, at ionerne opretholder "sammenhæng, "eller at fungere som qubits længe nok til at regne med dem. Det er også vigtigt, hvis fangede-ion-sensorer skal blive bærbare. Atomure baseret på fangede ioner, for eksempel, kunne holde tiden meget mere præcist end dagens standard, og kunne bruges til at forbedre GPS -nøjagtigheden, som er afhængig af synkroniseringen af ​​atomure på satellitter.

"Vi betragter dette arbejde som et eksempel på at bygge bro mellem videnskab og teknik, der leverer en sand fordel for både akademi og industri, "Sage siger. At bygge bro over dette hul er målet for MIT Center for Quantum Engineering, hvor Sage er en hovedforsker. "Vi har brug for kvanteteknologi for at være robust, leverbar, og brugervenlig, for folk at bruge, der ikke er ph.d.er i kvantefysik, "Siger Sage.

Samtidigt, teamet håber, at denne enhed kan hjælpe med at skubbe til akademisk forskning. "Vi vil have andre forskningsinstitutter til at bruge denne platform, så de kan fokusere på andre udfordringer - som at programmere og køre algoritmer med fangede ioner på denne platform, for eksempel. Vi ser det åbne døren for yderligere udforskning af kvantefysik, "Siger Chiaverini.