MIT Lincoln Laboratory создала первый квантовый чип на основе ионов в ловушке с полностью интегрированной фотоникой

MIT Lincoln Laboratory создала первый квантовый чип на основе ионов в ловушке с полностью интегрированной фотоникой

Большинство экспертов согласны с тем, что квантовые вычисления все еще находятся на стадии лабораторных исследований. Текущее состояние квантовых технологий сравнивают с этапом, на котором находились классические вычисления в конце 1930-х годов.

Квантовые вычисления могут быть реализованы на различных платформах, включая сверхпроводниковые кубиты, ионы в ловушках, фотонные линейно-оптические схемы, кремниевые кубиты и другие. Прежде чем появится полезная отказоустойчивая квантовая машина, пройдет не меньше десятилетия. Важный шаг на пути к грандиозной цели был сделан группой исследователей из MIT Lincoln Laboratory.

Новый чип квантового процессора MIT Lincoln Laboratory с полностью интегрированной фотоникой (@MIT LINCOLN LABORATORIES) 

Практически все знают, что классические компьютеры выполняют вычисления с использованием битов (один разряд двоичного кода) в состоянии единицы или нуля. В квантовых компьютерах фундаментальной единицей информации является кубит (квантовый бит). Как и классические биты, он может быть единицей или нулем, а также находиться в суперпозиции обоих значений, т.е. в квантовом состоянии.

Сверхпроводниковые кубиты, используемые IBM и некоторыми другими научными группами, являются наиболее распространенной на сегодняшний день технологией. При этом кубиты реализованные на ионах в ловушке – технология достаточно известная, поскольку начала использоваться с начала 1990-х годов, «дебютировав» в атомных часах.

Honeywell и IonQ являются наиболее популярными коммерческими разработчиками кубитов на ионных ловушках. Для изготовления кубитов они применяют изотоп редкоземельного металла иттербия. В своем же чипе, использующем интегрированную фотонику, лаборатория MIT применила щелочной металл стронций. Процесс создания таких устройств включает в себя прецизионное удаление лазером внешнего электрона из атома с образованием положительно заряженного иона. Затем лазеры используются как пинцет для перемещения ионов на нужное место. Находясь в необходимом положении, колеблющиеся поля напряжения удерживают ионы на месте. Одно из главных преимуществ ионов заключается в том, что они естественные, а не искусственно изготовленные.

Доктор Роберт Ниффенеггер, ведущий разработчик в научной группе, разрабатывающей технологию создания ионов в ловушке в лаборатории MIT Lincoln Laboratory, объяснил, почему в чипе MIT был использован именно стронций: «Решения, разработанные нами для создания кубитов на ионных ловушках, являются первыми совместимыми с фиолетовым и синим диапазонами длин волн. Традиционные фотонные материалы имеют очень высокие потери в синем, фиолетовом и УФ диапазонах. Ионы стронция использовались вместо иттербия, поскольку стронций не нуждается в УФ-свете для оптического контроля».

Все манипуляции с ионами происходят внутри вакуумной камеры с чипом квантового процессора на захваченных ионах. Вакуум защищает ионы от окружающей среды и предотвращает столкновения с молекулами воздуха. Помимо создания ионов и их перемещения на нужное место, лазеры выполняют необходимые квантовые операции с каждым кубитом. Поскольку лазеры и оптические компоненты большие, они располагаются вне вакуумной камеры. Зеркала и другое оптическое оборудование направляют и фокусируют внешние лазерные лучи через окна камеры на ионы.

Наибольшее количество кубитов на ионах в ловушке, которое на сегодняшний день удалось реализовать в квантовом компьютере, составляет 32. Для того чтобы квантовые компьютеры стали действительно полезными и производительными, необходимы миллионы кубитов, а для контроля и измерения миллионов ионных кубитов потребуются тысячи лазеров. Проблема становится еще более сложной, когда – как в случае Honeywell – в аппарате используются два типа ионов (иттербий и барий). Современные разработки в области лазерных систем манипуляции затрудняют создание квантовых компьютеров с захваченными ионами, превышающими несколько сотен кубитов.

Вместо того, чтобы прибегать к оптике и отражению лазеров от зеркал для направления лучей в вакуумной камере, исследователи MIT разработали другой метод. Они выяснили, как использовать оптические волокна и фотонику для переноса лазерных импульсов прямо в камеру и фокусировки их на отдельных ионах на чипе.

Квантовому компьютеру на основе кубитов с захваченными ионами на стронции нужны лазеры шести разных частот. Каждой частоте соответствует свой цвет: от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Каждый цвет выполняет свою операцию с кубитом. Исследователи из Lincoln Laboratory разработали компактный способ доставки лазерного излучения к захваченным ионам с помощью волоконно-оптического блока, который вставляется в чип ионной ловушки и обеспечивает связь света с оптическими волноводами, изготовленными в самом чипе. Через эти волноводы свет различных длин волн может проходить через чип и высвобождаться, чтобы воздействовать на ионы над ним.

Другими словами, вместо того, чтобы использовать внешние зеркала для излучения лазеров в вакуумную камеру, исследователи из MIT использовали несколько оптических волокон и фотонных волноводов. На нижней стороне квантового чипа был установлен блок с четырьмя оптическими волокнами, передающими диапазон цветов. «Совмещение массива волоконных блоков с волноводами на кристалле и нанесение эпоксидной смолы было похоже на операцию. Это был очень деликатный процесс. У нас был допуск около половины микрона, и соединение должно было выдержать охлаждение до 4 Кельвина», – отметил Ниффенеггер.

Волоконная оптическая система направляет свет лазера непосредственно в микросхему ионной ловушки MIT. При использовании чип охлаждается до криогенных температур в вакуумной камере, а волноводы на чипе доставляют свет к иону, захваченному прямо над поверхностью чипа, для выполнения квантовых вычислений (@MIT LINCOLN LABORATORIES) 

Пол Смит-Гудсон, Moor Insights

Forbes.com