Onderzoekers van ETH hebben een nieuwe techniek gedemonstreerd voor het uitvoeren van gevoelige kwantumbewerkingen op atomen. Bij deze techniek, het controlelaserlicht wordt direct in een chip geleverd. Dit moet het mogelijk maken om grootschalige kwantumcomputers te bouwen op basis van ingesloten atomen.

Een specifiek punt op een scherm raken met een laserpointer tijdens een presentatie is niet eenvoudig - zelfs het kleinste nerveuze hand schudden wordt één grote krabbel op afstand. Stel je nu eens voor dat je dat met meerdere laserpointers tegelijk moet doen. Dat is precies het probleem waarmee natuurkundigen worden geconfronteerd die kwantumcomputers proberen te bouwen met behulp van individuele ingesloten atomen. Zij, te, laserstralen - honderden of zelfs duizenden in hetzelfde apparaat - precies over meerdere meters moeten richten om gebieden te raken die slechts enkele micrometers groot zijn en die de atomen bevatten. Elke ongewenste trilling zal de werking van de kwantumcomputer ernstig verstoren.

Bij ETH in Zürich, Jonathan Home en zijn collega's van het Institute for Quantum Electronics hebben nu een nieuwe methode gedemonstreerd waarmee ze meerdere laserstralen precies op de juiste locaties vanuit een chip kunnen afleveren op zo'n stabiele manier dat zelfs de meest delicate kwantumbewerkingen op de atomen kunnen worden uitgevoerd.

Streven naar de kwantumcomputer

Het bouwen van kwantumcomputers is al meer dan dertig jaar een ambitieus doel van natuurkundigen. Elektrisch geladen atomen - ionen - gevangen in elektrische velden zijn ideale kandidaten gebleken voor de kwantumbits of qubits, die kwantumcomputers gebruiken voor hun berekeningen. Tot dusver, Op deze manier konden minicomputers met een tiental qubits worden gerealiseerd. "Echter, als je kwantumcomputers wilt bouwen met enkele duizenden qubits, die waarschijnlijk nodig zullen zijn voor praktisch relevante toepassingen, huidige implementaties bieden enkele grote hindernissen, " zegt Karan Mehta, een postdoc in het laboratorium van Home en eerste auteur van de studie die onlangs is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur . Eigenlijk, het probleem is hoe je laserstralen over meerdere meters van de laser in een vacuümapparaat kunt sturen en uiteindelijk de roos in een cryostaat kunt raken, waarin de ionenvallen worden afgekoeld tot slechts enkele graden boven het absolute nulpunt om thermische storingen te minimaliseren.

Optische opstelling als obstakel

"Al in de huidige kleinschalige systemen, conventionele optica zijn een belangrijke bron van ruis en fouten - en dat wordt veel moeilijker te beheren wanneer u probeert op te schalen", Mehta legt het uit. Hoe meer qubits men toevoegt, hoe complexer de optica voor de laserstralen wordt die nodig is voor het aansturen van de qubits. "Hier komt onze aanpak om de hoek kijken", voegt Chi Zhang toe, een doctoraat student in Home's groep:"Door kleine golfgeleiders te integreren in de chips die de elektroden bevatten om de ionen op te vangen, we kunnen het licht rechtstreeks naar die ionen sturen. Op deze manier, trillingen van de cryostaat of andere delen van het apparaat veroorzaken veel minder storing."

De onderzoekers gaven een commerciële gieterij opdracht om chips te produceren die zowel gouden elektroden voor de ionenvallen bevatten als, in een diepere laag, golfgeleiders voor laserlicht. Aan het ene uiteinde van de chips, optische vezels voeden het licht in de golfgeleiders, die slechts 100 nanometer dik zijn, effectief vormen van optische bedrading binnen de chips. Elk van die golfgeleiders leidt naar een specifiek punt op de chip, waar het licht uiteindelijk wordt afgebogen naar de ingesloten ionen op het oppervlak.

Werk van een paar jaar geleden (door enkele van de auteurs van de huidige studie, samen met onderzoekers van MIT en MIT Lincoln Laboratory) hadden aangetoond dat deze aanpak in principe werkt. Nu heeft de ETH-groep de techniek ontwikkeld en verfijnd tot het punt waarop het ook mogelijk is om het te gebruiken voor het implementeren van kwantumlogische poorten met lage fouten tussen verschillende atomen, een belangrijke voorwaarde voor het bouwen van kwantumcomputers.

High-fidelity logische poorten

In een conventionele computerchip, logische poorten worden gebruikt om logische bewerkingen uit te voeren, zoals AND of NOR. Om een ​​kwantumcomputer te bouwen, men moet ervoor zorgen dat het dergelijke logische bewerkingen op de qubits kan uitvoeren. Het probleem hiermee is dat logische poorten die op twee of meer qubits werken, bijzonder gevoelig zijn voor storingen. Dit komt omdat ze fragiele kwantummechanische toestanden creëren waarin twee ionen tegelijkertijd in een superpositie zijn, ook wel verstrengelde staten genoemd.

In zo'n superpositie een meting van het ene ion beïnvloedt het resultaat van een meting aan het andere ion, zonder dat de twee in direct contact staan. Hoe goed de productie van die superpositietoestanden werkt, en dus hoe goed de logische poorten zijn, wordt uitgedrukt door de zogenaamde trouw. "Met de nieuwe chip waren we in staat om logische poorten van twee qubits uit te voeren en deze te gebruiken om verstrengelde toestanden te produceren met een getrouwheid die tot nu toe alleen kon worden bereikt in de allerbeste conventionele experimenten, " zegt Maciej Malinowski, die ook als Ph.D. bij het experiment betrokken was. student.

De onderzoekers hebben hiermee aangetoond dat hun aanpak interessant is voor toekomstige iontrap-quantumcomputers, omdat deze niet alleen extreem stabiel is, maar ook schaalbaar. Ze werken momenteel met verschillende chips die bedoeld zijn om tot tien qubits tegelijk aan te sturen. Verder, ze streven naar nieuwe ontwerpen voor snelle en nauwkeurige kwantumbewerkingen die mogelijk worden gemaakt door de optische bedrading.