Исследователи совершили значительный прорыв в области квантовых вычислений с помощью нового устройства, размер которого почти в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса.
Опубликовано в журнале Nature Communications
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, рассказывается о прорывных оптических фазовых модуляторах, которые могут помочь создать гораздо более крупные квантовые компьютеры. Они обеспечивают эффективное управление лазерами, необходимыми для работы тысяч или даже миллионов кубитов — базовых единиц квантовой информации.
Масштабируемое производство
Команда учёных разработала эти устройства с использованием масштабируемого производства, избегая сложных индивидуальных сборок в пользу тех, которые используются для изготовления той же технологии, лежащей в основе процессоров, уже встречающихся в компьютерах, телефонах, транспортных средствах, бытовой технике — практически во всём, что питается электричеством (даже в тостерах).
Под руководством Джейка Фридмана, аспиранта факультета электротехники, компьютерных наук и энергетики; Мэтта Эйхенфилда, профессора и заведующего кафедрой квантовой инженерии Карла Густафсона; и сотрудников Sandia National Laboratories, включая соавтора Нильса Оттерстрома, они создали устройство, которое является не только крошечным и мощным, но также практичным и недорогим в массовом производстве.
Использование микроволновых вибраций
Устройство использует микроволновые вибрации, колеблющиеся миллиарды раз в секунду, для управления лазерным излучением с исключительной точностью. Эти сверхбыстрые вибрации дают исследователям прямой контроль над фазой лазерного луча, позволяя чипу генерировать новые частоты лазера с высокой стабильностью и эффективностью, что необходимо для создания технологий квантовых вычислений, квантового зондирования и квантовых сетей.
Ведущие подходы к квантовым вычислениям
Среди ведущих подходов к квантовым вычислениям — системы с захваченными ионами и захваченными нейтральными атомами, которые хранят информацию в отдельных атомах. Чтобы управлять этими кубитами, исследователи «разговаривают» с каждым атомом, используя точные лазерные лучи, что позволяет им давать инструкции для выполнения вычислений. Частота каждого лазера должна быть настроена с предельной точностью, часто с точностью до миллиардных долей процента или даже меньше.
«Создание новых копий лазера с очень точными различиями в частоте — один из наиболее важных инструментов для работы с квантовыми компьютерами на основе атомов и ионов», — сказал Фридман. «Но чтобы сделать это в масштабе, вам нужна технология, которая может эффективно генерировать эти новые частоты».
Сегодня эти сдвиги частоты производятся с помощью громоздких настольных устройств, потребляющих значительное количество микроволновой энергии. Существующие установки хорошо подходят для небольших лабораторных экспериментов и квантовых компьютеров с небольшим количеством кубитов, но они не могут масштабироваться до десятков или сотен тысяч оптических каналов, необходимых для будущих квантовых компьютеров.
Потребность в масштабируемой технологии
«Вы не сможете построить квантовый компьютер со 100 000 громоздкими электрооптическими модуляторами, стоящими на складе, полном оптических столов, — сказал Эйхенфилд. — Вам нужны более масштабируемые способы их производства, которые не нужно собирать вручную и которые имеют короткие оптические пути. Пока вы этим занимаетесь, если вы сможете заставить всё это уместиться на нескольких небольших микросхемах и производить в 100 раз меньше тепла, у вас гораздо больше шансов заставить это работать».
Устройство может генерировать новые частоты света посредством эффективной фазовой модуляции, которая потребляет примерно в 80 раз меньше микроволновой энергии, чем многие коммерческие модуляторы. Использование меньшего количества энергии снижает нагрев и позволяет разместить гораздо больше каналов близко друг к другу — даже на одном чипе. Вместе эти функции превращают чип в мощную масштабируемую систему для управления сложным танцем, который атомы должны выполнять для выполнения квантовых вычислений.
Производство в «foundry»
Одним из наиболее значительных аспектов проекта является то, что он был произведён полностью в «foundry» или литейном цехе, того же типа предприятия, которое используется для производства передовой микроэлектроники. «Изготовление по технологии CMOS — это самая масштабируемая технология, которую когда-либо изобретали люди», — сказал Эйхенфилд.
«Каждый микроэлектронный чип в каждом мобильном телефоне или компьютере содержит миллиарды практически идентичных транзисторов. Таким образом, используя технологию изготовления CMOS, в будущем мы сможем производить тысячи или даже миллионы идентичных версий наших фотонных устройств, что именно и потребуется для квантовых вычислений», — сказал Эйхенфилд.
Согласно Оттерстрому, они взяли устройства-модуляторы, которые ранее были дорогими и энергоёмкими, и сделали их более эффективными и менее громоздкими. «Мы помогаем продвигать оптику к собственной «транзисторной революции», — сказал Оттерстром. — Переходя от оптического эквивалента вакуумных трубок к масштабируемым интегрированным фотонным технологиям».
Команда разрабатывает полностью интегрированные фотонные схемы, которые объединяют генерацию частоты, фильтрацию и формирование импульсов на одном чипе, приближая к реальности цель создания полностью функционального чипа. В дальнейшем они будут сотрудничать с компаниями, занимающимися квантовыми вычислениями, чтобы протестировать версии этих чипов внутри современных квантовых компьютеров с захваченными атомами и захваченными нейтральными атомами.
«Это устройство — одна из последних частей головоломки, — сказал Фридман. — Мы приближаемся к созданию действительно масштабируемой фотонной платформы, способной управлять очень большим количеством кубитов».