Quantumcomputers zijn grotendeels hypothetische apparaten die sommige berekeningen veel sneller kunnen uitvoeren dan conventionele computers. In plaats van de stukjes klassieke berekening, die 0 of 1 kan vertegenwoordigen kwantumcomputers bestaan ​​uit kwantumbits, of qubits, welke kan, In zekere zin, vertegenwoordigen 0 en 1 tegelijkertijd.

Hoewel in het laboratorium kwantumsystemen met maar liefst 12 qubits zijn aangetoond, het bouwen van kwantumcomputers die complex genoeg zijn om bruikbare berekeningen uit te voeren, vereist miniaturisatie van qubit-technologie, ongeveer zoals de miniaturisatie van transistors moderne computers mogelijk maakte.

Gevangen ionen zijn waarschijnlijk de meest bestudeerde qubit-technologie, maar historisch hadden ze een groot en complex hardwareapparaat nodig. In ... van vandaag Natuur Nanotechnologie , onderzoekers van MIT en MIT Lincoln Laboratory melden een belangrijke stap in de richting van praktische kwantumcomputers, met een paper waarin een prototype-chip wordt beschreven die ionen in een elektrisch veld kan vangen en, met ingebouwde optiek, richt laserlicht op elk van hen.

"Als je kijkt naar de traditionele vergadering, het is een vat met een vacuüm erin, en daarbinnen is deze kooi die de ionen opsluit. Dan is er eigenlijk een heel laboratorium van externe optica die de laserstralen naar de assemblage van ionen leidt, " zegt Rajeev Ram, een MIT-professor in de elektrotechniek en een van de senior auteurs van het papier. "Onze visie is om dat externe laboratorium te nemen en veel ervan op een chip te miniaturiseren."

Opgesloten

De Quantum Information and Integrated Nanosystems-groep van het Lincoln Laboratory was een van de vele onderzoeksgroepen die al werkten aan de ontwikkeling van eenvoudigere, kleinere ionenvallen die bekend staan ​​als oppervlaktevallen. Een standaard ionenval ziet eruit als een kleine kooi, waarvan de staven elektroden zijn die een elektrisch veld produceren. Ionen staan ​​opgesteld in het midden van de kooi, evenwijdig aan de staven. Een oppervlakteval, daarentegen, is een chip met elektroden ingebed in het oppervlak. De ionen zweven 50 micrometer boven de elektroden.

Kooivallen zijn intrinsiek beperkt in grootte, maar oppervlaktevallen kunnen, in principe, voor onbepaalde tijd worden verlengd. Met de huidige technologie, ze zouden nog steeds in een vacuümkamer moeten worden gehouden, maar ze zouden toestaan ​​dat er veel meer qubits in zouden worden gepropt.

"Wij geloven dat oppervlaktevallen een sleuteltechnologie zijn om deze systemen in staat te stellen op te schalen naar het zeer grote aantal ionen dat nodig zal zijn voor grootschalige kwantumcomputers, " zegt Jeremy Sage, die samen met John Chiaverini het project voor de verwerking van kwantuminformatie met ingesloten ionen van Lincoln Laboratory leidt. "Deze kooivallen werken heel goed, maar ze werken echt maar voor misschien 10 tot 20 ionen, en ze zijn daar eigenlijk maximaal."

Een kwantumberekening uitvoeren, echter, vereist nauwkeurige controle van de energietoestand van elke qubit onafhankelijk, en qubits met ingesloten ionen worden bestuurd met laserstralen. In een oppervlakteval, de ionen zijn slechts ongeveer 5 micrometer uit elkaar. Een enkel ion raken met een externe laser, zonder zijn buren te beïnvloeden, is ongelooflijk moeilijk; slechts een paar groepen hadden het eerder geprobeerd, en hun technieken waren niet praktisch voor grootschalige systemen.

Aan boord komen

Dat is waar de groep van Ram binnenkomt. Ram en Karan Mehta, een MIT-afgestudeerde student elektrotechniek en eerste auteur van het nieuwe artikel, ontwierp en bouwde een reeks optische componenten op de chip die laserlicht naar individuele ionen kunnen kanaliseren. Verstandig, Chiaverini, en hun Lincoln Lab-collega's Colin Bruzewicz en Robert McConnell hebben hun oppervlakteval opnieuw ontworpen om plaats te bieden aan de geïntegreerde optica zonder de prestaties in gevaar te brengen. Samen, beide groepen ontwierpen en voerden de experimenten uit om het nieuwe systeem te testen.

"Typisch, voor oppervlakte-elektrodevallen, de laserstraal komt van een optische tafel en komt dit systeem binnen, dus er is altijd die bezorgdheid over de straal die trilt of beweegt, " zegt Ram. "Met fotonische integratie, je maakt je geen zorgen over de stabiliteit van de straalrichting, omdat het allemaal op dezelfde chip zit als de elektroden. Dus nu wordt alles tegen elkaar geregistreerd, en het is stabiel."

De nieuwe chip van de onderzoekers is gebouwd op een kwartssubstraat. Bovenop het kwarts bevindt zich een netwerk van siliciumnitride "golfgeleiders, " die laserlicht over de chip leiden. Boven de golfgeleiders zit een laag glas, en daarbovenop bevinden zich de niobiumelektroden. Onder de gaten in de elektroden, de golfgeleiders breken in een reeks opeenvolgende richels, een "diffractierooster" dat precies is ontworpen om licht door de gaten te richten en het te concentreren in een straal die smal genoeg is om op een enkel ion te richten, 50 micrometer boven het oppervlak van de chip.

vooruitzichten

Met de prototype-chip, de onderzoekers evalueerden de prestaties van de diffractieroosters en de ionenvallen, maar er was geen mechanisme om de hoeveelheid licht die aan elk ion werd geleverd te variëren. Bij lopende werkzaamheden, de onderzoekers onderzoeken de toevoeging van lichtmodulatoren aan de diffractieroosters, zodat verschillende qubits tegelijkertijd licht van verschillende, wisselende intensiteiten. Dat zou het programmeren van de qubits efficiënter maken, wat essentieel is in een praktisch kwantuminformatiesysteem, aangezien het aantal kwantumbewerkingen dat het systeem kan uitvoeren, wordt beperkt door de "coherentietijd" van de qubits.