Optisk ledning til store kvantecomputere

Forskere ved ETH har demonstreret en ny teknik til at udføre følsomme kvanteoperationer på atomer. I denne teknik, kontrollaserlyset leveres direkte inde i en chip. Dette skulle gøre det muligt at bygge kvantecomputere i stor skala baseret på fangede atomer.

At ramme et bestemt punkt på en skærm med en laserpointer under en præsentation er ikke let – selv den mindste nervøse rysten på hånden bliver til ét stort skribleri på afstand. Forestil dig nu at skulle gøre det med flere laserpointere på én gang. Det er præcis det problem, som fysikere står over for, som forsøger at bygge kvantecomputere ved hjælp af individuelle fangede atomer. De, også, behov for at rette laserstråler – hundreder eller endda tusindvis af dem i det samme apparat – præcist over flere meter for at ramme områder på kun få mikrometer store, der indeholder atomerne. Enhver uønsket vibration vil alvorligt forstyrre kvantecomputerens drift.

På ETH i Zürich, Jonathan Home og hans medarbejdere ved Institute for Quantum Electronics har nu demonstreret en ny metode, der giver dem mulighed for at levere flere laserstråler præcist til de rigtige steder inde fra en chip på en så stabil måde, at selv de mest delikate kvanteoperationer på atomer kan udføres.

Sigter mod kvantecomputeren

At bygge kvantecomputere har været et ambitiøst mål for fysikere i mere end tredive år. Elektrisk ladede atomer - ioner - fanget i elektriske felter har vist sig at være ideelle kandidater til kvantebits eller qubits, som kvantecomputere bruger til deres beregninger. Indtil nu, minicomputere, der indeholder omkring et dusin qubits, kunne realiseres på denne måde. "Imidlertid, hvis du vil bygge kvantecomputere med flere tusinde qubits, hvilket sandsynligvis vil være nødvendigt for praktisk relevante anvendelser, nuværende implementeringer udgør nogle store forhindringer, " siger Karan Mehta, en postdoc i Homes laboratorium og førsteforfatter til undersøgelsen, der for nylig er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur . I det væsentlige, problemet er, hvordan man sender laserstråler over flere meter fra laseren ind i et vakuumapparat og til sidst rammer tyrenes øje inde i en kryostat, hvor ionfælderne køles ned til blot et par grader over det absolutte nulpunkt for at minimere termiske forstyrrelser.

Optisk opsætning som forhindring

"Allerede i nuværende småskalasystemer, konventionel optik er en væsentlig kilde til støj og fejl - og det bliver meget sværere at håndtere, når man forsøger at skalere op", Mehta forklarer. Jo flere qubits man tilføjer, jo mere kompleks bliver optikken for laserstrålerne, hvilket er nødvendigt for at styre qubits. "Det er her, vores tilgang kommer ind", tilføjer Chi Zhang, en ph.d. elev i Homes gruppe:"Ved at integrere bittesmå bølgeledere i de chips, der indeholder elektroderne til at fange ionerne, vi kan sende lyset direkte til de ioner. På denne måde vibrationer fra kryostaten eller andre dele af apparatet giver langt mindre forstyrrelser."

Forskerne bestilte et kommercielt støberi til at producere chips, som indeholder både guldelektroder til ionfælderne og, i et dybere lag, bølgeledere til laserlys. I den ene ende af chipsene, optiske fibre fører lyset ind i bølgelederne, som kun er 100 nanometer tyk, danner effektivt optiske ledninger i chipsene. Hver af disse bølgeledere fører til et bestemt punkt på chippen, hvor lyset til sidst afbøjes mod de fangede ioner på overfladen.

Arbejde fra et par år siden (af nogle af forfatterne til denne undersøgelse, sammen med forskere ved MIT og MIT Lincoln Laboratory) havde vist, at denne tilgang fungerer i princippet. Nu har ETH-gruppen udviklet og forfinet teknikken til det punkt, hvor det også er muligt at bruge den til at implementere kvantelogiske porte med lav fejl mellem forskellige atomer, en vigtig forudsætning for at bygge kvantecomputere.

High-fidelity logiske porte

I en konventionel computerchip, logiske porte bruges til at udføre logiske operationer såsom AND eller NOR. At bygge en kvantecomputer, man skal sørge for, at den kan udføre sådanne logiske operationer på qubits. Problemet med dette er, at logiske porte, der virker på to eller flere qubits, er særligt følsomme over for forstyrrelser. Dette skyldes, at de skaber skrøbelige kvantemekaniske tilstande, hvor to ioner samtidigt er i en superposition, også kendt som indviklede tilstande.

I en sådan superposition, en måling af en ion påvirker resultatet af en måling på den anden ion, uden at de to er i direkte kontakt. Hvor godt virker produktionen af ​​disse superpositionstilstande, og dermed hvor gode de logiske porte er, kommer til udtryk ved den såkaldte troskab. "Med den nye chip var vi i stand til at udføre to-qubit logiske porte og bruge dem til at producere sammenfiltrede tilstande med en troskab, som indtil nu kun kunne opnås i de allerbedste konventionelle eksperimenter, " siger Maciej Malinowski, der også var med i forsøget som ph.d. studerende.

Forskerne har således vist, at deres tilgang er interessant for fremtidige ionfælde kvantecomputere, da den ikke bare er ekstremt stabil, men også skalerbar. De arbejder i øjeblikket med forskellige chips, der er beregnet til at styre op til ti qubits ad gangen. Desuden, de forfølger nye designs til hurtige og præcise kvanteoperationer, som er muliggjort af de optiske ledninger.