Optisk fiber kunne øge kraften i superledende kvantecomputere

Hemmeligheden bag at bygge superledende kvantecomputere med massiv processorkraft kan være en almindelig telekommunikationsteknologi - optisk fiber.

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har målt og kontrolleret en superledende kvantebit (qubit) ved hjælp af lysledende fiber i stedet for elektriske metalledninger, baner vejen for at pakke en million qubits ind i en kvantecomputer i stedet for blot et par tusinde. Demonstrationen er beskrevet i udgaven af ​​25. marts af Natur .

Superledende kredsløb er en førende teknologi til fremstilling af kvantecomputere, fordi de er pålidelige og let masseproducerede. Men disse kredsløb skal fungere ved kryogene temperaturer, og skemaer til at forbinde dem til stuetemperaturelektronik er komplekse og tilbøjelige til at overophede qubits. En universel kvantecomputer, i stand til at løse enhver form for problemer, forventes at have brug for omkring 1 million qubits. Konventionelle kryostater - køleskabe med superkoldfortynding - med metalledninger kan højst understøtte tusindvis.

Optisk fiber, rygraden i telekommunikationsnetværk, har en glas- eller plastikkerne, der kan bære en stor mængde lyssignaler uden at lede varme. Men superledende kvantecomputere bruger mikrobølgeimpulser til at lagre og behandle information. Så lyset skal konverteres præcist til mikrobølger.

For at løse dette problem, NIST-forskere kombinerede fiberen med et par andre standardkomponenter, der konverterer, transportere og måle lys på niveau med enkelte partikler, eller fotoner, som så nemt kunne omdannes til mikrobølger. Systemet fungerede lige så godt som metalledninger og opretholdt qubit'ens skrøbelige kvantetilstande.

"Jeg tror, ​​at dette fremskridt vil have stor effekt, fordi det kombinerer to helt forskellige teknologier, fotonik og superledende qubits, at løse et meget vigtigt problem, "NIST-fysiker John Teufel sagde. "Optisk fiber kan også bære langt flere data i et meget mindre volumen end konventionelt kabel."

Normalt, forskere genererer mikrobølgeimpulser ved stuetemperatur og leverer dem derefter gennem koaksiale metalkabler til kryogenisk vedligeholdte superledende qubits. Den nye NIST-opsætning brugte en optisk fiber i stedet for metal til at lede lyssignaler til kryogene fotodetektorer, der konverterede signaler tilbage til mikrobølger og leverede dem til qubit'en. Til eksperimentelle sammenligningsformål, mikrobølger kunne dirigeres til qubit gennem enten det fotoniske link eller en almindelig koaksial linje.

Den "transmon" qubit, der blev brugt i fibereksperimentet, var en enhed kendt som en Josephson junction indlejret i et tredimensionelt reservoir eller hulrum. Dette kryds består af to superledende metaller adskilt af en isolator. Under visse forhold kan en elektrisk strøm krydse krydset og kan svinge frem og tilbage. Ved at anvende en bestemt mikrobølgefrekvens, forskere kan drive qubit mellem lavenergi- og exciterede tilstande (1 eller 0 i digital computing). Disse tilstande er baseret på antallet af Cooper-par - bundne elektronpar med modsatte egenskaber - der har "tunneleret" hen over krydset.

NIST-holdet udførte to typer eksperimenter, ved at bruge det fotoniske link til at generere mikrobølgeimpulser, der enten målte eller kontrollerede kvantetilstanden af ​​qubitten. Metoden er baseret på to forhold:Frekvensen, hvormed mikrobølger naturligt hopper frem og tilbage i hulrummet, kaldet resonansfrekvensen, afhænger af qubit-tilstanden. Og frekvensen, hvormed qubit skifter tilstand, afhænger af antallet af fotoner i hulrummet.

Forskere startede generelt eksperimenterne med en mikrobølgegenerator. For at kontrollere qubittens kvantetilstand, enheder kaldet elektro-optiske modulatorer konverterede mikrobølger til højere optiske frekvenser. Disse lyssignaler strømmede gennem optisk fiber fra stuetemperatur til 4K (minus 269 C eller minus 452 F) ned til 20 milliKelvin (tusindedele af en Kelvin), hvor de landede i højhastigheds halvlederfotodetektorer, som konverterede lyssignalerne tilbage til mikrobølger, der derefter blev sendt til kvantekredsløbet.

I disse forsøg, forskere sendte signaler til qubit ved dens naturlige resonansfrekvens, at sætte den i den ønskede kvantetilstand. Qubitten oscillerede mellem dens jord- og exciterede tilstande, når der var tilstrækkelig lasereffekt.

For at måle qubitens tilstand, forskere brugte en infrarød laser til at sende lys på et bestemt effektniveau gennem modulatorerne, fiber og fotodetektorer til at måle hulrummets resonansfrekvens.

Forskere startede først qubit-oscillerende, med undertrykt lasereffekt, og brugte derefter det fotoniske link til at sende en svag mikrobølgeimpuls til hulrummet. Kavitetsfrekvensen indikerede nøjagtigt qubittens tilstand 98% af tiden, samme nøjagtighed som opnået ved brug af den almindelige koaksiale linje.

Forskerne forestiller sig en kvanteprocessor, hvor lys i optiske fibre transmitterer signaler til og fra qubits, hvor hver fiber har kapacitet til at bære tusindvis af signaler til og fra qubit.