Loop een kwantumlab binnen waar wetenschappers ionen vangen, en je zult tafels vol spiegels en lenzen vinden, alle focuslasers om een ​​ion te raken dat "opgesloten" zit boven een chip. Door lasers te gebruiken om ionen te controleren, wetenschappers hebben geleerd om ionen te gebruiken als kwantumbits, of qubits, de basiseenheid van gegevens in een kwantumcomputer. Maar deze laseropstelling houdt het onderzoek nu tegen, waardoor het moeilijk is om met meer dan een paar ionen te experimenteren en deze systemen uit het laboratorium te halen voor echt gebruik.

Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van het Lincoln Laboratory hebben een compacte manier ontwikkeld om laserlicht te leveren aan ingesloten ionen. In een paper gepubliceerd in Natuur , de onderzoekers beschrijven een glasvezelblok dat wordt aangesloten op de ion-trap-chip, licht koppelen aan optische golfgeleiders die in de chip zelf zijn gefabriceerd. Door deze golfgeleiders, meerdere golflengten van licht kunnen door de chip worden geleid en worden vrijgegeven om de ionen erboven te raken.

"Het is voor veel mensen in het veld duidelijk dat de conventionele aanpak, het gebruik van optica uit de vrije ruimte, zoals spiegels en lenzen, gaat maar zo ver, " zegt Jeremy Sage, een auteur op het papier en senior personeel in de Quantum Information and Integrated Nanosystems Group van Lincoln Laboratory. "Als het licht in plaats daarvan op de chip wordt gebracht, het kan worden omgeleid naar de vele locaties waar het moet zijn. De geïntegreerde levering van vele golflengten kan leiden tot een zeer schaalbaar en draagbaar platform. We laten voor het eerst zien dat het kan."

Meerdere kleuren

Voor computergebruik met ingesloten ionen is het nodig om elk ion afzonderlijk nauwkeurig te regelen. Optica uit de vrije ruimte heeft goed gewerkt bij het beheersen van een paar ionen in een korte eendimensionale keten. Maar als je een enkel ion raakt in een grotere of tweedimensionale cluster, zonder zijn buren te raken, is buitengewoon moeilijk. Wanneer we ons een praktische kwantumcomputer voorstellen die duizenden ionen nodig heeft, deze taak van lasercontrole lijkt onpraktisch.

Dat dreigende probleem bracht onderzoekers ertoe een andere manier te vinden. in 2016, Onderzoekers van Lincoln Laboratory en MIT demonstreerden een nieuwe chip met ingebouwde optica. Ze richtten een rode laser op de chip, waar golfgeleiders op de chip het licht naar een roosterkoppeling leidden, een soort trilstrook om het licht tegen te houden en op het ion te richten.

Rood licht is cruciaal voor het uitvoeren van een fundamentele operatie die een kwantumpoort wordt genoemd. die het team tijdens die eerste demonstratie uitvoerde. Maar er zijn maximaal zes verschillende kleuren lasers nodig om alles te doen wat nodig is voor kwantumberekening:het ion voorbereiden, koel het af, de energietoestand uitlezen, en kwantumpoorten uitvoeren. Met deze nieuwste chip, het team heeft hun proof of principle uitgebreid naar de rest van deze vereiste golflengten, van violet tot nabij-infrarood.

"Met deze golflengten, we waren in staat om de fundamentele reeks operaties uit te voeren die je nodig hebt om ingesloten ionen te controleren, " zegt John Chiaverini, ook een auteur op het papier. De enige operatie die ze niet uitvoerden, een poort van twee qubits, werd gedemonstreerd door een team van ETH Zürich met behulp van een chip vergelijkbaar met het werk van 2016, en wordt beschreven in een paper in dezelfde Natuur probleem. "Dit werk in combinatie met dat van ons laat zien dat je alles hebt wat je nodig hebt om grotere arrays met ingesloten ionen te bouwen, " voegt Chiaverini toe.

Glasvezel

Om de sprong te maken van één naar meerdere golflengten, het team ontwikkelde een methode om een ​​glasvezelblok rechtstreeks aan de zijkant van de chip te hechten. Het blok bestaat uit vier optische vezels, elk specifiek voor een bepaald bereik van golflengten. Deze vezels komen overeen met een overeenkomstige golfgeleider die rechtstreeks op de chip is gevormd.

"Het uitlijnen van de fiberblock-array met de golfgeleiders op de chip en het aanbrengen van de epoxy voelde als een operatie. Het was een zeer delicaat proces. We hadden ongeveer een halve micron tolerantie en het moest de afkoeling tot 4 Kelvin overleven, " zegt Robert Niffenegger, die de experimenten leidde en de eerste auteur van de krant is.

Bovenop de golfgeleiders zit een laag glas. Bovenop het glas zitten metalen elektroden, die elektrische velden produceren die het ion op zijn plaats houden; gaten worden uit het metaal gesneden over de roosterkoppelingen waar het licht vrijkomt. Het hele apparaat is vervaardigd in het Microelectronics Laboratory van het Lincoln Laboratory.

Het ontwerpen van golfgeleiders die het licht met weinig verlies aan de ionen kunnen leveren, het vermijden van absorptie of verstrooiing, was een uitdaging, omdat het verlies de neiging heeft toe te nemen met blauwere golflengten. "Het was een proces van het ontwikkelen van materialen, het patroon van de golfgeleiders, ze testen, prestatie meten, en opnieuw proberen. We moesten er ook voor zorgen dat de materialen van de golfgeleiders niet alleen werkten met de noodzakelijke golflengten van licht, maar ook dat ze niet interfereerden met de metalen elektroden die het ion vasthouden, "zegt Salie.

Schaalbaar en draagbaar

Het team kijkt nu uit naar wat ze kunnen doen met deze volledig in licht geïntegreerde chip. Voor een, "Maak meer, ", zegt Niffenegger. "Door deze chips in een array te plaatsen, kunnen veel meer ionen worden samengebracht, die elk nauwkeurig kunnen worden bestuurd, de deur openen naar krachtigere kwantumcomputers."

Daniël Lichter, een natuurkundige van het National Institute of Standards and Technology die niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt, "Deze gemakkelijk schaalbare technologie zal complexe systemen met veel laserstralen mogelijk maken voor parallelle operaties, allemaal automatisch uitgelijnd en bestand tegen trillingen en omgevingsfactoren, en zal naar mijn mening cruciaal zijn voor het realiseren van opgesloten ionenquantumprocessors met duizenden qubits."

Een voordeel van deze laser-geïntegreerde chip is dat hij inherent bestand is tegen trillingen. Met externe lasers, elke trilling van de laser zou ervoor zorgen dat hij het ion mist, net als eventuele trillingen op de chip. Nu de laserstralen en de chip aan elkaar gekoppeld zijn, de effecten van trillingen worden effectief teniet gedaan.

Deze stabiliteit is belangrijk voor de ionen om "coherentie, " of om lang genoeg als qubits te werken om ermee te kunnen rekenen. Het is ook belangrijk als sensoren met ingesloten ionen draagbaar moeten worden. Atoomklokken op basis van ingesloten ionen, bijvoorbeeld, kon de tijd veel nauwkeuriger bijhouden dan de huidige standaard, en kan worden gebruikt om de nauwkeurigheid van GPS te verbeteren, die afhankelijk is van de synchronisatie van atoomklokken die door satellieten worden gedragen.

"We zien dit werk als een voorbeeld van het overbruggen van wetenschap en techniek, dat een echt voordeel oplevert voor zowel de academische wereld als de industrie, ", zegt Sage. Het overbruggen van deze kloof is het doel van het MIT Center for Quantum Engineering, waar Sage een hoofdonderzoeker is. "We hebben kwantumtechnologie nodig om robuust te zijn, leverbaar, en gebruiksvriendelijk, voor mensen om te gebruiken die geen PhD zijn in de kwantumfysica, "zegt Salie.

Tegelijkertijd, het team hoopt dat dit apparaat academisch onderzoek kan stimuleren. "We willen dat andere onderzoeksinstituten dit platform gebruiken, zodat ze zich kunnen concentreren op andere uitdagingen, zoals het programmeren en uitvoeren van algoritmen met ingesloten ionen op dit platform, bijvoorbeeld. We zien dat het de deur opent naar verdere verkenning van de kwantumfysica, ' zegt Chiaverini.