Новый фотонный чип ускорил и улучшил охлаждение ионов для квантового компьютера на ловушках ионов
Ученые показали охлаждение иона почти в 10 раз ниже предела стандартного лазерного охлаждения, известного как предел Доплера (Doppler limit). До этого уровня чип доходил примерно за 100 микросекунд, что в несколько раз быстрее других техник.
Источник: Исследователи разработали фотонный чип, который включает в себя точно сконструированные антенны для управления пучками плотно сфокусированного пересекающегося света, что может быстро охладить квантовую вычислительную систему и когда-нибудь обеспечить большую эффективность и стабильность. Credit: Michael Hurley and Sampson Wilcox
МОСКВА, 16 января /ТАСС/. Специалисты Массачусетского технологического института (MIT) разработали фотонный чип, который управляет пучками сильно сфокусированного, пересекающегося света, что позволяет быстро охлаждать квантовую систему и в перспективе повысить её эффективность и стабильность. Результаты своей работы ученые опубликовали в журналах Light: Science and Applications и Physical Review Letters.
Квантовые компьютеры потенциально могут быстро решать сложнейшие задачи, на которые самым мощным классическим суперкомпьютерам потребовались бы десятилетия. Но для этого квантовые системы должны быть достаточно крупными и стабильными, чтобы эффективно выполнять операции.
Исследователи MIT и других организаций разрабатывают квантовые компьютеры на ловушках ионов, построенные на ультракомпактных фотонных чипах. Такие «чиповые» системы — масштабируемая альтернатива традиционным установкам на ловушках ионов, которые зависят от громоздкой внешней оптики.
Ионы в таких квантовых компьютерах нужно охлаждать до крайне низких температур, чтобы минимизировать вибрации и снизить ошибки. До сих пор системы на фотонных чипах были ограничены медленными и неэффективными методами охлаждения.
Группа специалистов MIT и MIT Lincoln Laboratory создала быстрый и энергоэффективный способ охлаждения пойманных ионов с использованием фотонных чипов. Им удалось охладить систему примерно до температур в 10 раз ниже предела стандартного лазерного охлаждения.
Ключ к методу — фотонный чип, в который встроены точно рассчитанные антенны, управляющие пучками плотно сфокусированного пересекающегося света.
Существует много типов квантовых систем, в рассматриваемом исследовании квантовые вычисления строятся на ловушках ионов. Здесь ион — это заряженная частица, полученная «снятием» электрона с атома. Ион удерживают с помощью радиочастотных сигналов, а управляют им с помощью оптических сигналов.
Лазеры кодируют информацию в ионе, изменяя его состояние. Так ион становится квантовым битом (кубитом) — базовым элементом квантового компьютера.
Чтобы ионы не сталкивались с молекулами газа, их держат в вакууме, который часто создаётся установкой типа криостата. Традиционно громоздкие лазеры находятся вне криостата и направляют разные лучи через окна криостата к чипу. Для работы даже с несколькими десятками ионов нужна «комната оптики», из-за чего сложно масштабироваться до больших чисел ионов, необходимых для серьёзных вычислений. Кроме того, небольшие внешние вибрации могут сбивать лучи и снижать точность квантового компьютера.
Чтобы обойти эти проблемы, в MIT развивают системы на интегральной фотонике: свет излучается с того же чипа, который удерживает ион. Это повышает масштабируемость, устраняя потребность во внешних оптических компонентах. Но до сих пор демонстрации на интегральной фотонике показывали ограниченную эффективность охлаждения.
Для быстрых и точных квантовых операций оптические поля используют, чтобы уменьшить кинетическую энергию иона — фактически охладить его почти до абсолютного нуля, до «эффективной температуры» даже ниже того, что может обеспечить криостат. Однако распространённые методы имеют более высокий «пол» охлаждения: после завершения процесса у иона остаётся заметная вибрационная энергия. Это мешает использовать кубиты для вычислений высокого качества.
Новый подход MIT
Инженеры MIT применили более сложный подход — охлаждение градиентом поляризации (polarization-gradient cooling), основанное на точном взаимодействии двух световых пучков.
У каждого пучка своя поляризация — то есть электрическое поле колеблется в разных направлениях (вверх-вниз, влево-вправо и т.п.). В месте пересечения пучков возникает вращающийся «вихрь света», который может останавливать вибрации иона значительно эффективнее.
Ранее этот подход показывали с «крупной» внешней оптикой, но на интегральной фотонике его до этого не демонстрировали.
Чтобы обеспечить такое взаимодействие, исследователи спроектировали чип с двумя нано антеннами, которые излучают свет из чипа и управляют ионом над ним.
Антенны связаны волноводами, направляющими свет к антеннам. Волноводы спроектированы так, чтобы стабилизировать оптическую «разводку», повышая стабильность вихревого светового рисунка.
Антенны также оптимизировали так, чтобы максимум света доходил до иона. У каждой антенны есть крошечные изогнутые насечки, которые рассеивают свет вверх; они расположены с нужным шагом, чтобы направлять свет к иону.
Команда испытала несколько архитектур, измеряя характеристики каждой, чтобы лучше понять, как именно формируется излучение.
В финальной конфигурации они показали охлаждение иона почти в 10 раз ниже предела стандартного лазерного охлаждения, известного как предел Доплера (Doppler limit). До этого уровня чип доходил примерно за 100 микросекунд, что в несколько раз быстрее других техник.
Квантовые компьютеры потенциально могут быстро решать сложнейшие задачи, на которые самым мощным классическим суперкомпьютерам потребовались бы десятилетия. Но для этого квантовые системы должны быть достаточно крупными и стабильными, чтобы эффективно выполнять операции.
Исследователи MIT и других организаций разрабатывают квантовые компьютеры на ловушках ионов, построенные на ультракомпактных фотонных чипах. Такие «чиповые» системы — масштабируемая альтернатива традиционным установкам на ловушках ионов, которые зависят от громоздкой внешней оптики.
Ионы в таких квантовых компьютерах нужно охлаждать до крайне низких температур, чтобы минимизировать вибрации и снизить ошибки. До сих пор системы на фотонных чипах были ограничены медленными и неэффективными методами охлаждения.
Группа специалистов MIT и MIT Lincoln Laboratory создала быстрый и энергоэффективный способ охлаждения пойманных ионов с использованием фотонных чипов. Им удалось охладить систему примерно до температур в 10 раз ниже предела стандартного лазерного охлаждения.
Ключ к методу — фотонный чип, в который встроены точно рассчитанные антенны, управляющие пучками плотно сфокусированного пересекающегося света.
Существует много типов квантовых систем, в рассматриваемом исследовании квантовые вычисления строятся на ловушках ионов. Здесь ион — это заряженная частица, полученная «снятием» электрона с атома. Ион удерживают с помощью радиочастотных сигналов, а управляют им с помощью оптических сигналов.
Лазеры кодируют информацию в ионе, изменяя его состояние. Так ион становится квантовым битом (кубитом) — базовым элементом квантового компьютера.
Чтобы ионы не сталкивались с молекулами газа, их держат в вакууме, который часто создаётся установкой типа криостата. Традиционно громоздкие лазеры находятся вне криостата и направляют разные лучи через окна криостата к чипу. Для работы даже с несколькими десятками ионов нужна «комната оптики», из-за чего сложно масштабироваться до больших чисел ионов, необходимых для серьёзных вычислений. Кроме того, небольшие внешние вибрации могут сбивать лучи и снижать точность квантового компьютера.
Чтобы обойти эти проблемы, в MIT развивают системы на интегральной фотонике: свет излучается с того же чипа, который удерживает ион. Это повышает масштабируемость, устраняя потребность во внешних оптических компонентах. Но до сих пор демонстрации на интегральной фотонике показывали ограниченную эффективность охлаждения.
Для быстрых и точных квантовых операций оптические поля используют, чтобы уменьшить кинетическую энергию иона — фактически охладить его почти до абсолютного нуля, до «эффективной температуры» даже ниже того, что может обеспечить криостат. Однако распространённые методы имеют более высокий «пол» охлаждения: после завершения процесса у иона остаётся заметная вибрационная энергия. Это мешает использовать кубиты для вычислений высокого качества.
Новый подход MIT
Инженеры MIT применили более сложный подход — охлаждение градиентом поляризации (polarization-gradient cooling), основанное на точном взаимодействии двух световых пучков.
У каждого пучка своя поляризация — то есть электрическое поле колеблется в разных направлениях (вверх-вниз, влево-вправо и т.п.). В месте пересечения пучков возникает вращающийся «вихрь света», который может останавливать вибрации иона значительно эффективнее.
Ранее этот подход показывали с «крупной» внешней оптикой, но на интегральной фотонике его до этого не демонстрировали.
Чтобы обеспечить такое взаимодействие, исследователи спроектировали чип с двумя нано антеннами, которые излучают свет из чипа и управляют ионом над ним.
Антенны связаны волноводами, направляющими свет к антеннам. Волноводы спроектированы так, чтобы стабилизировать оптическую «разводку», повышая стабильность вихревого светового рисунка.
Антенны также оптимизировали так, чтобы максимум света доходил до иона. У каждой антенны есть крошечные изогнутые насечки, которые рассеивают свет вверх; они расположены с нужным шагом, чтобы направлять свет к иону.
Команда испытала несколько архитектур, измеряя характеристики каждой, чтобы лучше понять, как именно формируется излучение.
В финальной конфигурации они показали охлаждение иона почти в 10 раз ниже предела стандартного лазерного охлаждения, известного как предел Доплера (Doppler limit). До этого уровня чип доходил примерно за 100 микросекунд, что в несколько раз быстрее других техник.
