Физики из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали уникальное устройство — фотонный маршрутизатор, также описываемый как микроволново-оптический квантовый преобразователь. Это первый в своем роде прибор, способный управлять сверхпроводящими микроволновыми кубитами исключительно с помощью света, преодолевая значительный энергетический разрыв между микроволновыми и оптическими фотонами. Руководителем исследования выступил Марко Лончар, профессор электротехники и прикладной физики имени Тианцай Линя в SEAS.
Основная проблема современных квантовых компьютеров на сверхпроводящих микроволновых кубитах заключается в их масштабировании. Эти системы требуют сверхнизких температур, достигаемых с помощью рефрижераторов растворения, и подключение миллионов кубитов с использованием громоздких микроволновых кабелей становится серьезным инженерным вызовом, особенно учитывая требования к охлаждению и чувствительность кубитов к шумам.
Созданный преобразователь решает эту проблему, действуя как маршрутизатор для фотонов и мост между микроволновой и оптической областями. Он позволяет контролировать состояния микроволновых кубитов с помощью оптических сигналов, которые потенциально могут генерироваться на расстоянии многих миль. Устройство эффективно связывает микроволновый резонатор с двумя оптическими резонаторами на одном чипе.
В основе прибора лежит ниобат лития. Эта материальная платформа обеспечивает эффективный обмен энергией между микроволновыми и оптическими доменами в обоих направлениях. Ключевое преимущество заключается в устранении необходимости использовать объемные микроволновые кабели, выделяющие тепло, для непосредственного управления состояниями кубитов.
Само оптическое устройство имеет размер всего 2 миллиметра и по форме напоминает канцелярскую скрепку. Оно размещается на чипе длиной около 2 сантиметров. Изготовление проводилось в Гарвардском центре наносистем, входящем в Национальную сеть скоординированной нанотехнологической инфраструктуры.
Разработка является критически важным шагом на пути к созданию модульных, распределенных квантовых вычислительных сетей. Она открывает возможность использования существующей телекоммуникационной инфраструктуры, включающей миллионы миль оптоволоконных линий, для соединения квантовых компьютеров. Создаются надежные оптические интерфейсы для систем на основе микроволновых кубитов.
Как отмечает Хана Варнер, аспирантка и первый автор статьи, опубликованной в журнале Nature Physics, «оптические фотоны являются очень хорошими носителями информации» благодаря низким потерям и высокой пропускной способности. Это делает оптику перспективным решением для масштабирования и сопряжения квантовых компонентов.
Потенциальные будущие применения устройства включают считывание состояний кубитов и формирование прямых связей между узлами квантовых вычислений путем преобразования квантовой информации в световые пакеты. Марко Лончар указывает, что следующим шагом станет использование устройства для надежной генерации и распределения запутанности между микроволновыми кубитами с помощью света.
В данном исследовании также приняли участие коллабораторы из Rigetti Computing, предоставившие платформы со сверхпроводящими кубитами из алюминия на кремнии для тестирования, а также ученые из Чикагского университета и Массачусетского технологического института (MIT).
Сверхпроводящие кубиты представляют собой нанофабрикуемые схемы, спроектированные для существования в различных энергетических состояниях, аналогично классическим битам. Они являются перспективной платформой благодаря масштабируемости, совместимости с производственными процессами и способности поддерживать квантовую суперпозицию.
Конечная цель этой работы — приблизить создание мира, в котором сверхпроводящие квантовые процессоры будут соединены между собой посредством оптических сетей с низкими потерями и высокой пропускной способностью, что кардинально изменит возможности квантовых вычислений.
Изображение носит иллюстративный характер
Основная проблема современных квантовых компьютеров на сверхпроводящих микроволновых кубитах заключается в их масштабировании. Эти системы требуют сверхнизких температур, достигаемых с помощью рефрижераторов растворения, и подключение миллионов кубитов с использованием громоздких микроволновых кабелей становится серьезным инженерным вызовом, особенно учитывая требования к охлаждению и чувствительность кубитов к шумам.
Созданный преобразователь решает эту проблему, действуя как маршрутизатор для фотонов и мост между микроволновой и оптической областями. Он позволяет контролировать состояния микроволновых кубитов с помощью оптических сигналов, которые потенциально могут генерироваться на расстоянии многих миль. Устройство эффективно связывает микроволновый резонатор с двумя оптическими резонаторами на одном чипе.
В основе прибора лежит ниобат лития. Эта материальная платформа обеспечивает эффективный обмен энергией между микроволновыми и оптическими доменами в обоих направлениях. Ключевое преимущество заключается в устранении необходимости использовать объемные микроволновые кабели, выделяющие тепло, для непосредственного управления состояниями кубитов.
Само оптическое устройство имеет размер всего 2 миллиметра и по форме напоминает канцелярскую скрепку. Оно размещается на чипе длиной около 2 сантиметров. Изготовление проводилось в Гарвардском центре наносистем, входящем в Национальную сеть скоординированной нанотехнологической инфраструктуры.
Разработка является критически важным шагом на пути к созданию модульных, распределенных квантовых вычислительных сетей. Она открывает возможность использования существующей телекоммуникационной инфраструктуры, включающей миллионы миль оптоволоконных линий, для соединения квантовых компьютеров. Создаются надежные оптические интерфейсы для систем на основе микроволновых кубитов.
Как отмечает Хана Варнер, аспирантка и первый автор статьи, опубликованной в журнале Nature Physics, «оптические фотоны являются очень хорошими носителями информации» благодаря низким потерям и высокой пропускной способности. Это делает оптику перспективным решением для масштабирования и сопряжения квантовых компонентов.
Потенциальные будущие применения устройства включают считывание состояний кубитов и формирование прямых связей между узлами квантовых вычислений путем преобразования квантовой информации в световые пакеты. Марко Лончар указывает, что следующим шагом станет использование устройства для надежной генерации и распределения запутанности между микроволновыми кубитами с помощью света.
В данном исследовании также приняли участие коллабораторы из Rigetti Computing, предоставившие платформы со сверхпроводящими кубитами из алюминия на кремнии для тестирования, а также ученые из Чикагского университета и Массачусетского технологического института (MIT).
Сверхпроводящие кубиты представляют собой нанофабрикуемые схемы, спроектированные для существования в различных энергетических состояниях, аналогично классическим битам. Они являются перспективной платформой благодаря масштабируемости, совместимости с производственными процессами и способности поддерживать квантовую суперпозицию.
Конечная цель этой работы — приблизить создание мира, в котором сверхпроводящие квантовые процессоры будут соединены между собой посредством оптических сетей с низкими потерями и высокой пропускной способностью, что кардинально изменит возможности квантовых вычислений.
