Прорыв в квантовых вычислениях: фотонный маршрутизатор преобразует микроволновые кубиты в световые импульсы
Гарвардские физики сообщили о новом прорыве в области квантовых компьютеров, используя новый фотонный маршрутизатор — мощный оптический интерфейс для квантовых сетей, требующих передачи запутанных состояний с малыми потерями и низким уровнем шума.
Работа физиков из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) под руководством Ларко Лончара открывает путь к использованию существующей телекоммуникационной инфраструктуры для распространения модульных сетей квантовых компьютеров. В настоящее время миллионы миль глобального оптоволоконного кабеля передают импульсы фотонного света для питания компьютерных коммуникаций, которые в будущем могут быть использованы для квантовых компьютеров.
Квантовый преобразователь для оптических коммуникаций
Квантовый преобразователь микроволнового излучения в оптический, разработанный командой, позволяет локальным компьютерам, работающим с бинарными микроволновыми кубитами, обмениваться данными на больших расстояниях, преобразуя микроволновую энергию в оптические фотоны, которые могут передаваться по оптоволоконным кабелям.
Раньше сверхпроводящие микроволновые кубиты никогда не управлялись исключительно с помощью света. Теперь в ходе лабораторных испытаний команда успешно достигла эффективности преобразования 1,18% с низким уровнем добавочных микроволновых шумов при работе фотонного маршрутизатора.
Компания Rigetti Computing выступила партнером проекта, предоставив платформу для сверхпроводящих кубитов, которую команда SEAS использовала для тестирования своего устройства. Над проектом также работали исследователи Чикагского университета и Массачусетского технологического института. Чипы, использованные в , были изготовлены в Гарварде в Центре наноразмерных систем университета.
Микроволновые квантовые компьютеры
Использование сверхпроводящих микроволновых кубитов в качестве квантового решения имеет ряд важных преимуществ, включая масштабируемость, стабильность и совместимость с существующими производственными процессами. Однако у микроволновых кубитов есть и серьёзный недостаток: они требуют применения крупных систем охлаждения для наноразмерных схем, чтобы поддерживать их экстремально низкие рабочие температуры.
Когда для работы системы требуется много таких схем, количество необходимого охлаждающего оборудования быстро становится неуправляемым. Масштабирование микроволновых сигналов становится основным узким местом, которое, наконец, может быть решено с помощью оптических фотонных коммуникаций. Кроме того, более высокая энергия оптических фотонов по сравнению с микроволнами делает их гораздо менее чувствительными к тепловому шуму, а неспособность волоконной оптики эффективно передавать тепловую энергию сводит к минимуму передачу тепла внутрь и наружу.
Устройство гарвардской команды имеет крошечную длину — всего два миллиметра - и размещается на двухсантиметровом чипе. Материал основы — ниобит лития — позволяет микроволновому резонатору и двум оптическим резонаторам обмениваться энергией. Такой обмен позволил миниатюризировать устройство по сравнению с гораздо более крупными микроволновыми кабелями, которые обычно управляют состояниями кубитов. В дополнение к практическим преимуществам меньшего форм-фактора, не требующего внешнего охлаждения, оптоволокно смягчает высокие потери сигнала и чувствительность к шуму микроволновой связи.
Создание оптических сетей в реальном мире
«До реализации этих систем еще далеко, но для того, чтобы достичь этого, нам нужно найти практические способы масштабирования и взаимодействия различных компонентов», — говорит первый автор работы Хана Уорнер. «Оптические фотоны — один из лучших способов сделать это, потому что они являются очень хорошими носителями информации, с низкими потерями и высокой пропускной способностью».
Новое устройство предназначено для создания мощных оптических квантовых сетей. Помимо управления кубитами, устройство может преобразовывать их в свет для надежной связи между узлами.
«Следующим шагом для нашего преобразователя может стать надежная генерация и распределение запутанности между микроволновыми кубитами с помощью света», — говорит Лончар.