Een sprongetje maken:een microscopisch kleine trampoline kan ingenieurs helpen een grote hindernis voor kwantumcomputers te overwinnen, onderzoekers van CU Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST) rapporteren in een nieuwe studie.

Het onderzoek richt zich op een belangrijke stap voor praktische quantum computing:hoe kun je microgolfsignalen omzetten, zoals die geproduceerd door kwantumchips gemaakt door Google, Intel en andere technologiebedrijven, in lichtstralen die door glasvezelkabels lopen? Wetenschappers bij JILA, een gezamenlijk instituut van CU Boulder en NIST, denken dat ze het antwoord hebben:ze ontwierpen een apparaat dat een klein plaatje gebruikt om microgolfenergie te absorberen en het in laserlicht te kaatsen.

Het apparaat kan deze kloof efficiënt overbruggen, te, zei JILA-afgestudeerde student Peter Burns. Hij en zijn collega's melden dat hun kwantumtrampoline microgolven in licht kan omzetten met een slagingspercentage van bijna 50 procent - een belangrijke drempel waaraan volgens experts moet worden voldaan om alledaagse hulpmiddelen te worden.

Burns zei dat het onderzoek van zijn team ooit ingenieurs zou kunnen helpen om enorme netwerken van kwantumcomputers aan elkaar te koppelen.

"Momenteel, er is geen manier om een ​​kwantumsignaal om te zetten van een elektrisch signaal naar een optisch signaal, " zei Brands, een van de twee hoofdauteurs van de nieuwe studie. "We anticiperen op een groei in quantum computing en proberen een koppeling te maken die bruikbaar is voor deze netwerken."

Kwantumvertaling

Dergelijke netwerken zijn in aantocht. Over de afgelopen tien jaar, verschillende technologiebedrijven zijn doorgedrongen in het ontwerpen van prototype-kwantumchips. Deze apparaten coderen informatie in wat wetenschappers qubits noemen, een krachtigere opslagtool dan de traditionele bits die uw thuislaptop laten draaien. Maar de informatie uit dergelijke chips halen is een moeilijke opgave, zei Konrad Lehnert van JILA en een co-auteur van het nieuwe onderzoek.

Omdat interferentie van buitenaf kwantumsignalen gemakkelijk kan verstoren, "je moet voorzichtig en voorzichtig zijn met de informatie die je verzendt, " zei Lehnert, een NIST-collega.

Een grote uitdaging ligt in de vertaling. Hoogwaardige kwantumchips zoals Google's Bristlecone of Intel's Tangle Lake sturen gegevens uit in de vorm van fotonen, of kleine pakketjes licht, die wiebelen op microgolffrequenties. Veel van de moderne communicatie, echter, vertrouwt op glasvezelkabels die alleen optisch licht kunnen sturen.

In onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuurfysica , de JILA-groep ging de uitdaging aan om een ​​vierkante pen in een rond gat te plaatsen met een klein plaatje gemaakt van siliciumnitride. Het team meldt dat het zappen van zo'n trampoline met een bundel microgolffotonen ervoor zorgt dat deze gaat trillen en fotonen uit het andere uiteinde werpt - behalve dat deze fotonen nu trillen op optische frequenties.

De onderzoekers waren in staat om die hop te bereiken, overslaan en een sprong maken met een efficiëntie van 47 procent, wat betekent dat voor elke twee microgolffotonen die de plaat raken, er kwam bijna één optisch foton uit. Dat is een veel betere prestatie dan andere methoden om microgolven om te zetten in licht, zoals door het gebruik van kristallen of magneten, zei Burns.

Hij voegde eraan toe dat wat echt indrukwekkend is aan het apparaat de stilte is. Zelfs in de ultrakoude laboratoriumfaciliteiten waar kwantumchips worden opgeslagen, sporen van warmte kunnen ervoor zorgen dat de trampoline van het team gaat trillen. Dat, beurtelings, zendt overtollige fotonen uit die het signaal vervuilen. Om van de rommel af te komen, de onderzoekers bedachten een nieuwe manier om die ruis te meten en af ​​te trekken van hun lichtbundels. Wat overblijft is een opmerkelijk schoon signaal.

"Wat we doen is die ruis meten aan de microgolfzijde van het apparaat, en dat stelt ons in staat om aan de optische kant onderscheid te maken tussen het signaal en de ruis, ' zei Brands.

Netwerken

Het team zal het geluid nog meer naar beneden moeten halen om de trampoline een praktisch hulpmiddel te laten worden. Maar het heeft het potentieel om veel netwerken mogelijk te maken. Zelfs met recente ontwikkelingen in kwantumchips, moderne apparaten hebben nog steeds een beperkte verwerkingskracht. Een manier om dat te omzeilen is door veel kleinere chips aan elkaar te koppelen in een enkele cijferkraker, aldus Lehnert.

"Het is duidelijk dat we op weg zijn naar een toekomst waarin we kleine prototype kwantumcomputers zullen hebben, "Zei Lehnert. "Het zal een enorm voordeel zijn als we ze samen kunnen netwerken."