Mod praktiske kvantecomputere:Indbygget optik kunne muliggøre chips, der bruger fangede ioner som kvantebits

Kvantecomputere er stort set hypotetiske enheder, der kunne udføre nogle beregninger meget hurtigere, end konventionelle computere kan. I stedet for biterne af klassisk beregning, som kan repræsentere 0 eller 1, kvantecomputere består af kvantebits, eller qubits, der kan, i en eller anden forstand, repræsentere 0 og 1 samtidigt.

Selvom kvantesystemer med så mange som 12 qubits er blevet demonstreret i laboratoriet, at bygge kvantecomputere, der er komplekse nok til at udføre nyttige beregninger, vil kræve miniaturisering af qubit-teknologi, på samme måde som miniaturiseringen af ​​transistorer gjorde det muligt for moderne computere.

Fangede ioner er sandsynligvis den mest studerede qubit-teknologi, men de har historisk set krævet et stort og komplekst hardwareapparat. I dagens Natur nanoteknologi , forskere fra MIT og MIT Lincoln Laboratory rapporterer om et vigtigt skridt mod praktiske kvantecomputere, med et papir, der beskriver en prototypechip, der kan fange ioner i et elektrisk felt og, med indbygget optik, rette laserlys mod hver af dem.

"Hvis man ser på den traditionelle forsamling, det er en tønde, der har et vakuum indeni, og indeni det er dette bur, der fanger ionerne. Så er der stort set et helt laboratorium af ekstern optik, der leder laserstrålerne til samling af ioner, " siger Rajeev Ram, en MIT -professor i elektroteknik og en af ​​seniorforfatterne på papiret. "Vores vision er at tage det eksterne laboratorium og miniaturisere meget af det på en chip."

Buret ind

Quantum Information and Integrated Nanosystems-gruppen ved Lincoln Laboratory var en af ​​flere forskergrupper, der allerede arbejdede på at udvikle enklere, mindre ionfælder kendt som overfladefælder. En standard ionfælde ligner et lillebitte bur, hvis stænger er elektroder, der producerer et elektrisk felt. Ioner stiller sig op i midten af ​​buret, parallelt med stængerne. En overfladefælde, derimod er en chip med elektroder indlejret i overfladen. Ionerne svæver 50 mikrometer over elektroderne.

Burfælder er i sig selv begrænset i størrelse, men overfladefælder kunne, i princippet, forlænges på ubestemt tid. Med den nuværende teknologi, de skulle stadig holdes i et vakuumkammer, men de ville tillade mange flere qubits at blive proppet inde.

"Vi tror på, at overfladefælder er en nøgleteknologi, der gør det muligt for disse systemer at skalere til det meget store antal ioner, der kræves til kvanteberegning i stor skala, "siger Jeremy Sage, der sammen med John Chiaverini leder Lincoln Laboratorys fangede-ion kvante-informationsbehandlingsprojekt. "Disse burfælder fungerer meget godt, men de virker faktisk kun for måske 10 til 20 ioner, og de maxer stort set derude."

Udførelse af en kvanteberegning, imidlertid, kræver præcis styring af energitilstanden for hver qubit uafhængigt, og fangede-ion-qubits styres med laserstråler. I en overfladefælde, ionerne er kun ca. 5 mikrometer fra hinanden. At ramme en enkelt ion med en ekstern laser, uden at påvirke sine naboer, er utrolig svært; kun nogle få grupper havde tidligere prøvet det, og deres teknikker var ikke praktiske for store systemer.

At komme ombord

Det er her, Rams gruppe kommer ind. Ram og Karan Mehta, en MIT kandidatstuderende i elektroteknik og første forfatter på det nye papir, designet og bygget en suite af on-chip optiske komponenter, der kan kanalisere laserlys mod individuelle ioner. salvie, Chiaverini, og deres Lincoln Lab -kolleger Colin Bruzewicz og Robert McConnell genindrettede deres overfladefælde for at rumme den integrerede optik uden at gå på kompromis med dens ydeevne. Sammen, begge grupper designede og udførte eksperimenterne for at teste det nye system.

"Typisk, til overfladeelektrodefælder, laserstrålen kommer fra et optisk bord og kommer ind i dette system, så der er altid denne bekymring for, at strålen vibrerer eller bevæger sig, " siger Ram. "Med fotonisk integration, du er ikke bekymret for strålepegningsstabilitet, fordi det hele er på den samme chip, som elektroderne er på. Så nu er alt registreret mod hinanden, og den er stabil. "

Forskernes nye chip er bygget på et kvartssubstrat. På toppen af ​​kvartsen er et netværk af siliciumnitrid "bølgeledere, "som leder laserlys hen over chippen. Over bølgelederne er et glaslag, og oven i købet er niobium elektroderne. Under hullerne i elektroderne, bølgelederne bryder i en række sekventielle kamme, et "diffraktionsgitter" præcist konstrueret til at lede lyset op gennem hullerne og koncentrere det til en stråle, der er smal nok til, at den vil målrette mod en enkelt ion, 50 mikrometer over overfladen af ​​chippen.

Udsigter

Med prototype-chippen, forskerne evaluerede ydelsen af ​​diffraktionsristene og ionfælderne, men der var ingen mekanisme til at variere mængden af ​​lys leveret til hver ion. I det løbende arbejde, forskerne undersøger tilføjelsen af ​​lysmodulatorer til diffraktionsgitrene, så forskellige qubits samtidigt kan modtage lys af forskellige, tidsvarierende intensiteter. Det ville gøre programmering af qubits mere effektiv, hvilket er afgørende i et praktisk kvanteinformationssystem, da antallet af kvanteoperationer systemet kan udføre er begrænset af "kohærenstiden" af qubits.