В мире квантовых вычислений одной из главных проблем остается передача квантовой информации между различными типами систем. Исследователи активно разрабатывают электрические схемы в микроволновом диапазоне, используя микроволновые фотоны в качестве кубитов – базовых единиц квантовой информации. Этот подход стал ведущим в квантовых вычислениях благодаря простоте управления и масштабируемому производству.
Однако существует серьезное ограничение: микроволновые квантовые системы требуют охлаждения до сверхнизких температур – около 30 милликельвинов (примерно -459,6 градусов по Фаренгейту). При комнатной температуре микроволновые фотоны быстро теряют квантовую информацию, происходит так называемая декогеренция. Это создает значительные препятствия для практического применения и масштабирования квантовых компьютеров.
Исследовательская группа под руководством Мохаммада Мирхоссейни, доцента кафедры электротехники и прикладной физики Калифорнийского технологического института (Калтех), представила революционное решение этой проблемы. Их работа, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, описывает создание преобразователя на чипе, способного преодолеть энергетический разрыв между микроволновыми и оптическими фотонами.
Разработанное устройство изготовлено из кремния и содержит крошечную кремниевую балку, которая вибрирует на частоте 5 гигагерц. Эта балка соединена с микроволновым резонатором, работающим на той же частоте. Для преобразования энергии используется техника электростатического возбуждения, ранее разработанная в лаборатории Мирхоссейни. Процесс преобразования происходит в два этапа: сначала микроволновый фотон преобразуется в механическую вибрацию балки, а затем, с помощью лазерного света, эта механическая осцилляция преобразуется в оптический фотон.
Ключевым достижением новой разработки является чрезвычайно низкий уровень шума, что критически важно для сохранения квантовой информации. Это стало возможным благодаря использованию кремния, который минимально нагревается при лазерном освещении. По словам исследователей, произведение эффективности на скорость оборота примерно в 100 раз превосходит предыдущие передовые системы с таким же уровнем шума.
«Наша работа представляет собой важный шаг к созданию распределенных квантовых компьютеров, которые могут работать при комнатной температуре», – объясняет Мирхоссейни. Преобразование микроволновых фотонов в оптические позволяет передавать квантовую информацию на большие расстояния без потерь, что открывает путь к созданию квантовых сетей и распределенных квантовых вычислений.
В разработке устройства участвовали Уильям Чен (соавтор, аспирант электротехники Калтеха), Хань Чжао (соавтор, бывший постдокторант Калтеха) и Абхишек Кеджривал (аспирант Калтеха). Исследователи отмечают, что их устройство проще в изготовлении и масштабировании по сравнению с предыдущими подходами, что делает его перспективным для практического применения в будущих квантовых системах.
Эта технология может стать ключевым компонентом для создания крупномасштабных распределенных сверхпроводящих квантовых компьютеров, объединяя преимущества микроволновых кубитов (простота управления и масштабируемость) с возможностью передачи квантовой информации при комнатной температуре через оптические каналы.
Изображение носит иллюстративный характер
Однако существует серьезное ограничение: микроволновые квантовые системы требуют охлаждения до сверхнизких температур – около 30 милликельвинов (примерно -459,6 градусов по Фаренгейту). При комнатной температуре микроволновые фотоны быстро теряют квантовую информацию, происходит так называемая декогеренция. Это создает значительные препятствия для практического применения и масштабирования квантовых компьютеров.
Исследовательская группа под руководством Мохаммада Мирхоссейни, доцента кафедры электротехники и прикладной физики Калифорнийского технологического института (Калтех), представила революционное решение этой проблемы. Их работа, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, описывает создание преобразователя на чипе, способного преодолеть энергетический разрыв между микроволновыми и оптическими фотонами.
Разработанное устройство изготовлено из кремния и содержит крошечную кремниевую балку, которая вибрирует на частоте 5 гигагерц. Эта балка соединена с микроволновым резонатором, работающим на той же частоте. Для преобразования энергии используется техника электростатического возбуждения, ранее разработанная в лаборатории Мирхоссейни. Процесс преобразования происходит в два этапа: сначала микроволновый фотон преобразуется в механическую вибрацию балки, а затем, с помощью лазерного света, эта механическая осцилляция преобразуется в оптический фотон.
Ключевым достижением новой разработки является чрезвычайно низкий уровень шума, что критически важно для сохранения квантовой информации. Это стало возможным благодаря использованию кремния, который минимально нагревается при лазерном освещении. По словам исследователей, произведение эффективности на скорость оборота примерно в 100 раз превосходит предыдущие передовые системы с таким же уровнем шума.
«Наша работа представляет собой важный шаг к созданию распределенных квантовых компьютеров, которые могут работать при комнатной температуре», – объясняет Мирхоссейни. Преобразование микроволновых фотонов в оптические позволяет передавать квантовую информацию на большие расстояния без потерь, что открывает путь к созданию квантовых сетей и распределенных квантовых вычислений.
В разработке устройства участвовали Уильям Чен (соавтор, аспирант электротехники Калтеха), Хань Чжао (соавтор, бывший постдокторант Калтеха) и Абхишек Кеджривал (аспирант Калтеха). Исследователи отмечают, что их устройство проще в изготовлении и масштабировании по сравнению с предыдущими подходами, что делает его перспективным для практического применения в будущих квантовых системах.
Эта технология может стать ключевым компонентом для создания крупномасштабных распределенных сверхпроводящих квантовых компьютеров, объединяя преимущества микроволновых кубитов (простота управления и масштабируемость) с возможностью передачи квантовой информации при комнатной температуре через оптические каналы.
