Novi fotonski čip za kvantna računala

Kvantna računala mogla bi brzo riješiti složene probleme za čije bi rješavanje najmoćnijim klasičnim superračunalima trebala desetljeća. Ali morat će biti dovoljno velika i stabilna da bi učinkovito obavljala operacije. Kako bi odgovorili na ovaj izazov, istraživači na američkom tehnološkom institutu MIT i drugdje razvijaju kvantna računala sa zarobljenim ionima temeljena na ultrakompaktnim fotonskim čipovima.

Ovi sustavi temeljeni na čipovima nude skalabilnu alternativu postojećim kvantnim računalima sa zarobljenim ionima, koja se oslanjaju na glomaznu optičku opremu.

Ioni u tim kvantnim računalima moraju se hladiti na ekstremno niske temperature kako bi se smanjile vibracije i spriječile pogreške. Do sada su takvi sustavi zarobljenih iona temeljeni na fotonskim čipovima bili ograničeni na neučinkovite i spore metode hlađenja.

Tim istraživača s MIT-a i MIT Lincoln Laboratorija sada je implementirao mnogo bržu i energetski učinkovitiju metodu hlađenja zarobljenih iona pomoću fotonskih čipova. Njihov pristup postigao je hlađenje oko 10 puta ispod granice standardnog laserskog hlađenja.

Ključ ove tehnike je fotonski čip koji uključuje precizno dizajnirane antene za manipuliranje snopovima usko fokusirane, interferentne svjetlosti.

Početna demonstracija istraživača ključni je korak prema skalabilnim arhitekturama temeljenim na čipovima koje bi jednog dana mogle omogućiti kvantne računalne sustave s većom učinkovitošću i stabilnošću.

"Uspjeli smo dizajnirati uređaje s integriranom fotonikom s raznolikom polarizacijom, iskoristiti ih za razvoj raznih novih sustava temeljenih na integriranoj fotonici i primijeniti ih kako bismo pokazali vrlo učinkovito hlađenje iona. Međutim, ovo je samo početak onoga što možemo učiniti pomoću ovih uređaja. Uvođenjem raznolikosti polarizacije u sustave zarobljenih iona temeljene na integriranoj fotonici, ovaj rad otvara vrata raznim naprednim operacijama za zarobljene ione koje prije nisu bile moguće, čak i izvan učinkovitog hlađenja iona - sve su to istraživački smjerovi koje s uzbuđenjem istražujemo u budućnosti", kaže Jelena Notaros, izvanredna profesorica elektrotehnike i računarstva (EECS) na MIT-u, članica Istraživačkog laboratorija za elektroniku i viša autorica rada o ovoj arhitekturi.

Iako postoji mnogo vrsta kvantnih sustava, ovo istraživanje usmjereno je na kvantno računanje zarobljenih iona. U ovoj primjeni, nabijena čestica nazvana ion nastaje ljuštenjem elektrona s atoma, a zatim se hvata pomoću radiofrekventnih signala i manipulira optičkim signalima.

Istraživači koriste lasere za kodiranje informacija u zarobljenom ionu promjenom njegovog stanja. Na taj način, ion se može koristiti kao kvantni bit ili kubit koji predstavlja gradivni blok kvantnog računala.

Kako bi se spriječili sudari između iona i molekula plina u zraku, ioni se drže u vakuumu, često stvorenom uređajem poznatim kao kriostat. Tradicionalno, glomazni laseri nalaze se izvan kriostata i ispaljuju različite svjetlosne zrake kroz prozore kriostata prema čipu.

Ovi sustavi zahtijevaju prostoriju punu optičkih komponenti za adresiranje samo nekoliko desetaka iona, što otežava skaliranje na veliki broj iona potrebnih za napredno kvantno računanje. Lagane vibracije izvan kriostata također mogu poremetiti svjetlosne zrake, što u konačnici smanjuje točnost kvantnog računala.

Kako bi zaobišli ove izazove, istraživači MIT-a razvijaju sustave temeljene na integriranoj fotonici. U ovom slučaju, svjetlost se emitira iz istog čipa koji hvata ion. To poboljšava skalabilnost uklanjanjem potrebe za vanjskim optičkim komponentama.

Kako bi omogućili brze i točne kvantne operacije, istraživači koriste optička polja za smanjenje kinetičke energije zarobljenog iona. To uzrokuje hlađenje iona gotovo na apsolutnu nulu, efektivnu temperaturu čak i nižu od one koju kriostati mogu postići.

No uobičajene metode imaju višu granicu hlađenja, tako da ion i dalje ima puno vibracijske energije nakon završetka procesa hlađenja. To bi otežalo korištenje kubita za visokokvalitetne izračune.

Istraživači s MIT-a koristili su složeniji pristup, poznat kao hlađenje gradijentom polarizacije, koji uključuje preciznu interakciju dvaju svjetlosnih snopova.

Svaka svjetlosna zraka ima drugačiju polarizaciju, što znači da polje u svakoj zraku oscilira u drugom smjeru (gore i dolje, s jedne strane na drugu itd.). Tamo gdje se te zrake sijeku, one tvore rotirajući vrtlog svjetlosti koji može prisiliti ion da još učinkovitije prestane vibrirati.

Kako bi omogućili ovu složeniju interakciju, istraživači su dizajnirali čip s dvije nanoskalne antene koje emitiraju zrake svjetlosti iz čipa kako bi manipulirale ionom iznad njega.

Ove antene su povezane valovodima koji usmjeravaju svjetlost do antena. Valovodi su dizajnirani za stabilizaciju optičkog usmjeravanja, što poboljšava stabilnost vrtložnog uzorka generiranog snopovima.

Istraživači su također dizajnirali antene kako bi maksimizirali količinu svjetlosti koja dopire do iona. Svaka antena ima sitne zakrivljene zareze koji raspršuju svjetlost prema gore, razmaknute taman kako bi usmjerili svjetlost prema ionu.

S konačnim dizajnom, istraživači su demonstrirali ionsko hlađenje koje je bilo gotovo 10 puta ispod granice standardnog laserskog hlađenja, poznate kao Dopplerova granica. Njihov čip je uspio dosegnuti tu granicu za oko 100 mikrosekundi, nekoliko puta brže od drugih tehnika.

U budućnosti, tim planira provesti eksperimente karakterizacije na različitim arhitekturama čipova i demonstrirati hlađenje gradijentom polarizacije s više iona. Osim toga, nadaju se istražiti druge primjene koje bi mogle imati koristi od stabilnih svjetlosnih snopova koje mogu generirati ovom arhitekturom.

Znanstveni rad objavljen u časopisu Nature možete pronaći na ovoj poveznici.