Het geheim van het bouwen van supergeleidende kwantumcomputers met enorme verwerkingskracht kan een gewone telecommunicatietechnologie zijn:optische vezel.

Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een supergeleidende kwantumbit (qubit) gemeten en gecontroleerd met behulp van lichtgeleidende vezels in plaats van metalen elektrische draden. de weg vrijmaken om een ​​miljoen qubits in een kwantumcomputer te stoppen in plaats van slechts een paar duizend. De demonstratie wordt beschreven in het nummer van 25 maart van: Natuur .

Supergeleidende circuits zijn een toonaangevende technologie voor het maken van kwantumcomputers omdat ze betrouwbaar zijn en gemakkelijk in massa kunnen worden geproduceerd. Maar deze circuits moeten werken bij cryogene temperaturen, en schema's om ze te bedraden naar elektronica op kamertemperatuur zijn complex en vatbaar voor oververhitting van de qubits. Een universele kwantumcomputer, in staat om elk type probleem op te lossen, zal naar verwachting ongeveer 1 miljoen qubits nodig hebben. Conventionele cryostaten - superkoude verdunningskoelkasten - met metalen bedrading kunnen maximaal duizenden ondersteunen.

Glasvezel, de ruggengraat van telecommunicatienetwerken, heeft een kern van glas of kunststof die een hoog volume aan lichtsignalen kan dragen zonder warmte te geleiden. Maar supergeleidende kwantumcomputers gebruiken microgolfpulsen om informatie op te slaan en te verwerken. Het licht moet dus precies worden omgezet in microgolven.

Om dit probleem op te lossen, NIST-onderzoekers combineerden de vezel met een paar andere standaardcomponenten die converteren, licht transporteren en meten op het niveau van afzonderlijke deeltjes, of fotonen, die vervolgens gemakkelijk kunnen worden omgezet in microgolven. Het systeem werkte net zo goed als metalen bedrading en handhaafde de fragiele kwantumtoestanden van de qubit.

"Ik denk dat deze vooruitgang een grote impact zal hebben omdat het twee totaal verschillende technologieën combineert, fotonica en supergeleidende qubits, om een ​​zeer belangrijk probleem op te lossen, "NIST-natuurkundige John Teufel zei. "Optische glasvezel kan ook veel meer gegevens vervoeren in een veel kleiner volume dan conventionele kabel."

Normaal gesproken, onderzoekers genereren microgolfpulsen bij kamertemperatuur en leveren ze vervolgens via coaxiale metalen kabels aan cryogeen onderhouden supergeleidende qubits. De nieuwe NIST-opstelling gebruikte een optische vezel in plaats van metaal om lichtsignalen naar cryogene fotodetectoren te leiden die signalen terug naar microgolven converteerden en aan de qubit afleverden. Voor experimentele vergelijkingsdoeleinden, microgolven kunnen via de fotonische link of een gewone coaxiale lijn naar de qubit worden geleid.

De "transmon"-qubit die in het vezelexperiment werd gebruikt, was een apparaat dat bekend staat als een Josephson-overgang ingebed in een driedimensionaal reservoir of holte. Deze junctie bestaat uit twee supergeleidende metalen gescheiden door een isolator. Onder bepaalde omstandigheden kan een elektrische stroom de junctie passeren en heen en weer oscilleren. Door een bepaalde microgolffrequentie toe te passen, onderzoekers kunnen de qubit tussen lage-energie en aangeslagen toestanden sturen (1 of 0 in digitaal computergebruik). Deze toestanden zijn gebaseerd op het aantal Cooper-paren - gebonden elektronenparen met tegengestelde eigenschappen - die over de kruising zijn "getunneld".

Het NIST-team voerde twee soorten experimenten uit, de fotonische link gebruiken om microgolfpulsen te genereren die de kwantumtoestand van de qubit hebben gemeten of gecontroleerd. De methode is gebaseerd op twee relaties:de frequentie waarmee microgolven van nature heen en weer stuiteren in de holte, de resonantiefrequentie genoemd, hangt af van de qubit-status. En de frequentie waarmee de qubit van toestand verandert, hangt af van het aantal fotonen in de holte.

Onderzoekers begonnen de experimenten meestal met een microgolfgenerator. Om de kwantumtoestand van de qubit te controleren, apparaten die elektro-optische modulatoren worden genoemd, zetten microgolven om in hogere optische frequenties. Deze lichtsignalen stroomden door optische vezels van kamertemperatuur tot 4K (minus 269 C of min 452 F) tot 20 milliKelvin (duizendsten van een Kelvin) waar ze landden in high-speed halfgeleider fotodetectoren, die de lichtsignalen weer omzet in microgolven die vervolgens naar het kwantumcircuit worden gestuurd.

Bij deze experimenten onderzoekers stuurden signalen naar de qubit op zijn natuurlijke resonantiefrequentie, om het in de gewenste kwantumtoestand te brengen. De qubit oscilleerde tussen zijn grond- en aangeslagen toestanden wanneer er voldoende laservermogen was.

Om de toestand van de qubit te meten, onderzoekers gebruikten een infraroodlaser om licht op een specifiek vermogensniveau door de modulatoren te lanceren, fiber en fotodetectoren om de resonantiefrequentie van de holte te meten.

Onderzoekers begonnen de qubit eerst te oscilleren, met het laservermogen onderdrukt, en gebruikte vervolgens de fotonische link om een ​​zwakke microgolfpuls naar de holte te sturen. De holtefrequentie gaf 98% van de tijd nauwkeurig de toestand van de qubit aan, dezelfde nauwkeurigheid als verkregen met de gewone coaxiale lijn.

De onderzoekers stellen zich een kwantumprocessor voor waarin licht in optische vezels signalen van en naar de qubits zendt, waarbij elke vezel de capaciteit heeft om duizenden signalen van en naar de qubit te vervoeren.