Naukowcy z Uniwersytet w Chicago opracowali nową metodę ulepszania kwantowych systemów informacyjnych poprzez integrację uwięzionych atom układy z urządzeniami fotonicznymi.
Ta innowacja pozwala na skalowalność obliczenia kwantowe i tworzenie sieci poprzez przezwyciężenie wcześniejszych niezgodności technologicznych. Konstrukcja obejmuje półotwarty chip, który minimalizuje zakłócenia i poprawia łączność atomów, co stanowi obietnicę znacznego postępu w zakresie szybkości obliczeniowej i wzajemnych połączeń w przypadku większych systemów kwantowych.
Łączenie technologii na rzecz udoskonalonych obliczeń kwantowych
Kwantowe systemy informacyjne zapewniają szybsze i potężniejsze możliwości obliczeniowe niż tradycyjne komputery, oferując potencjalne rozwiązania niektórych z najbardziej złożonych wyzwań świata. Jednak osiągnięcie tego potencjału wymaga zbudowania większych, bardziej połączonych ze sobą komputerów kwantowych – z czego naukowcy muszą jeszcze w pełni zdać sobie sprawę. Skalowanie tych systemów do większych rozmiarów i łączenie ze sobą wielu systemów kwantowych pozostaje poważnym wyzwaniem.
Naukowcy z Pritzker School of Molecular Engineering (PME) na Uniwersytecie w Chicago dokonali przełomu, łącząc dwie zaawansowane technologie: układy uwięzionych atomów i urządzenia fotoniczne. To innowacyjne podejście umożliwia tworzenie skalowalnych systemów kwantowych przy użyciu fotoniki do łączenia poszczególnych układów atomów, torując drogę postępowi w obliczeniach kwantowych, symulacjach i tworzeniu sieci.
„Połączyliśmy dwie technologie, które w przeszłości tak naprawdę nie miały ze sobą wiele wspólnego” – powiedział Hannes Bernien, adiunkt w dziedzinie inżynierii molekularnej i główny autor nowej pracy opublikowanej w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza. „To nie tylko zasadniczo interesujące zobaczyć, jak możemy w ten sposób skalować systemy kwantowe, ale ma to również wiele praktycznych zastosowań”.
Wyzwania związane z integracją fotoniki z układami atomowymi
Układy neutralnych atomów uwięzione w pęsetach optycznych – silnie skupione wiązki laserowe, które mogą utrzymać atomy w miejscu – to coraz popularniejszy sposób budowania procesorów kwantowych. Te siatki neutralnych atomów, wzbudzone w określonej kolejności, umożliwiają złożone obliczenia kwantowe, które można skalować do tysięcy kubitów. Jednak ich stany kwantowe są delikatne i można je łatwo zakłócić – w tym za pomocą urządzeń fotonicznych, których celem jest gromadzenie danych w postaci fotonów.
„Podłączenie układów atomowych do urządzeń fotonicznych było sporym wyzwaniem ze względu na zasadnicze różnice w technologiach. Technologia macierzy atomowych wykorzystuje lasery do generowania i obliczeń”. powiedział Shankar Menon, absolwent PME i współautor nowej pracy. „Gdy tylko wystawisz system na działanie półprzewodnika lub chipa fotonicznego, lasery ulegają rozproszeniu, co powoduje problemy z wychwytywaniem atomów, ich wykrywaniem i obliczeniami”.
Nowa, półotwarta konstrukcja chipa do obliczeń kwantowych
W ramach nowej pracy grupa Berniena opracowała nową, półotwartą geometrię chipów, umożliwiającą łączenie układów atomów z chipami fotonicznymi, przezwyciężając te wyzwania. Dzięki nowej platformie obliczenia kwantowe można przeprowadzać w obszarze obliczeniowym, a następnie niewielka część atomów zawierająca pożądane dane jest przenoszona do nowego obszaru wzajemnego w celu integracji chipa fotonicznego.
„Mamy dwa oddzielne obszary, pomiędzy którymi atomy mogą się przemieszczać, jeden z dala od chipa fotonicznego na potrzeby obliczeń, a drugi w pobliżu chipa fotonicznego w celu łączenia wielu układów atomów” – wyjaśnił współautor Noah Glachman, absolwent PME. „Sposób, w jaki zaprojektowano ten chip, wykazuje minimalną interakcję z obszarem obliczeniowym układu atomów”.
Lepsza łączność i szybkość dzięki wnękom nanofotonicznym
W obszarze połączeń kubit oddziałuje z mikroskopijnym urządzeniem fotonicznym, które może wyodrębnić a foton. Następnie foton może zostać przesłany do innych układów za pomocą światłowodów. Ostatecznie oznacza to, że wiele układów atomów można połączyć ze sobą, tworząc większą platformę obliczeń kwantowych niż jest to możliwe w przypadku pojedynczego układu.
Dodatkową zaletą nowego systemu – która może zapewnić szczególnie szybkie możliwości obliczeniowe – jest to, że do jednego układu pojedynczych atomów można jednocześnie podłączyć wiele wnęk nanofotonicznych.
„Możemy mieć setki takich wgłębień na raz i wszystkie mogą przesyłać informacje kwantowe w tym samym czasie” – powiedział Menon. „Prowadzi to do ogromnego wzrostu szybkości wymiany informacji między połączonymi ze sobą modułami”.
Przyszłe kierunki i badania
Chociaż zespół wykazał wykonalność uwięzienia atomu i przenoszenia go między regionami, planuje przyszłe badania, które będą uwzględniać inne etapy tego procesu, w tym gromadzenie fotonów z wnęk nanofotonicznych i generowanie splątania na dużych odległościach.
Odniesienie: „Zintegrowana platforma chipów nanofotonicznych z matrycą atomową i obrazowaniem bez tła”, Shankar G. Menon, Noah Glachman, Matteo Pompili, Alan Dibos i Hannes Bernien, 22 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50355-4
