Новый прототип чипа может помочь сделать квантовые вычисления реальными

Новый прототип чипа может помочь сделать квантовые вычисления реальными



Квантовые компьютеры - это устройства, которые могут выполнять некоторые вычисления гораздо быстрее, чем обычные компьютеры. Вместо использования битов классического вычисления,, квантовые компьютеры состоят из квантовых битов или кубитов, которые в некотором смысле могут представлять 0 и 1 одновременно.

Хотя квантовые системы с 12 кубитами были продемонстрированы в лаборатории, создание квантовых компьютеров, достаточно сложных для выполнения полезных вычислений, потребует миниатюризации технологии кубитов, во многом так же, как миниатюризация транзисторов способствовала появлению современных компьютеров.

Пойманные в ловушку ионы, вероятно, являются наиболее широко изученной технологией кубита, но исторически им требовался большой и сложный аппарат. В сегодняшней Природной нанотехнологии исследователи из MIT и MIT Lincoln Laboratory сообщают о важном шаге к реальным квантовым компьютерам. В статье описывается прототип чипа, который может захватывать ионы в электрическом поле, а встроенная оптика направляет лазерный свет на каждый из них. их.

«Если вы посмотрите на традиционную сборку, то это корпус с вакуумом внутри, а внутри - эта клетка, которая улавливает ионы. Там есть в целая лаборатория внешней оптики, которая направляет лазерные лучи на сборку ионов "говорит Раджив Рам, профессор электротехники из Массачусетского технологического института и один из ведущих авторов статьи. «Наше видение состоит в том, чтобы взять эту внешнюю лабораторию и миниатюризировать большую часть ее на чипе».



В клетке



Группа «Квантовые информационные и интегрированные наносистемы» в лаборатории Линкольна была одной из нескольких исследовательских групп, которые уже работали над созданием более простых и небольших ионных ловушек, известных как поверхностные ловушки. Стандартная ионная ловушка выглядит как крошечная клетка, стержни которой представляют собой электроды, которые создают электрическое поле. Ионы выстраиваются в центре клетки параллельно решетке. Поверхностная ловушка, напротив, представляет собой микросхему с электродами, встроенными в ее поверхность. Ионы колеблются на 50 микрометров над электродами.

Ловушки для клеток по своей природе ограничены по размеру, но, в принципе, поверхностные ловушки могут быть расширены до бесконечности. При современных технологиях их все равно придется держать в вакуумной камере, но они позволят втиснуть в них гораздо больше кубитов.

«Мы считаем, что поверхностные ловушки являются ключевой технологией, позволяющей этим системам масштабироваться до очень большого числа ионов, которые потребуются для крупномасштабных квантовых вычислений», - говорит Джереми Сейдж, который вместе с Джоном Кьяверини возглавляет ловушку-ион Lincoln Laboratory квантово-информационный проект. «Эти клеточные ловушки работают очень хорошо, но на самом деле они работают только на 10-20 ионов, и они в основном достигают максимума».

Однако выполнение квантовых вычислений требует точного управления энергетическим состоянием каждого кубита независимо, а кубиты с захваченными ионами контролируются лазерными лучами. В поверхностной ловушке ионы находятся на расстоянии всего лишь около 5 микрометров. Удар одного иона внешним лазером, не затрагивая соседей, невероятно сложен; только несколько групп ранее пытались сделать это, и их методы не были реализуемы для крупномасштабных систем.



Получение на борту



Рам и Каран Мехта, аспирант MIT в области электротехники и первый автор новой статьи, разработали и построили набор оптических компонентов на кристалле, которые могут направлять лазерный свет на отдельные ионы. Sage, Chiaverini и их коллеги из Lincoln Lab Колин Брузевич и Роберт МакКоннелл переоборудовали свои поверхностные ловушки для размещения встроенной оптики без ущерба для ее производительности. Обе группы разработали и провели эксперименты для тестирования новой системы.

«Как правило, для поверхностных ловушек электродов лазерный луч выходит из оптического стола и попадает в эту систему, поэтому всегда существует беспокойство по поводу вибрации или движения луча», - говорит Рам. «С помощью фотонной интеграции вы не беспокоитесь о стабильности наведения луча, потому что все они находятся на одном чипе с электродами. Так что теперь все зарегистрировано друг против друга, и оно стабильно».

Новый чип исследователей построен на кварцевой подложке. На вершине кварца находится сеть «волноводов» из нитрида кремния, которые направляют лазерный свет через чип. Над волноводами находится слой стекла, а сверху - ниобиевые электроды. Под отверстиями в электродах волноводы разбиваются на ряд последовательных гребней, «дифракционная решетка», точно разработанная для направления света сквозь отверстия и концентрирования его в пучок, достаточно узкий, чтобы он нацеливался на один ион, на 50 микрометров выше поверхность чипа.



перспективы



С помощью прототипа чипа исследователи оценивали производительность дифракционных решеток и ионных ловушек, но не было механизма для изменения количества света, доставляемого каждому иону. В текущей работе исследователи изучают добавление модуляторов света к дифракционным решеткам, чтобы разные кубиты могли одновременно получать свет различной интенсивности, изменяющейся во времени. Это сделало бы программирование кубитов более эффективным, что жизненно важно в практической квантовой информационной системе, поскольку число квантовых операций, которые может выполнять система, ограничено «временем когерентности» кубитов.


Источник: sciencedaily.com

10:38
61
Нет комментариев. Ваш будет первым!