Пятница, 23 февраля, 2024
ДомойТехнологииКвантовый прорыв: первое в мире запутывание микроволновых и оптических фотонов

Квантовый прорыв: первое в мире запутывание микроволновых и оптических фотонов

- Advertisement -

Художественное изображение экспериментального устройства с оптическими фотонами луча (красный), входящими и выходящими из электрооптического кристалла и резонирующими в его круглой части, а также генерируемыми микроволновыми фотонами (синий), покидающими устройство. Кредит: Эли Кранц, Krantz NanoArt

Исследователи из ISTA впервые запутали микроволновые и оптические фотоны.

Квантовые вычисления обладают потенциалом для решения сложных проблем в таких областях, как материаловедение и криптография, проблем, которые останутся недоступными даже для самых мощных обычных суперкомпьютеров в будущем. Однако для выполнения этого подвига, вероятно, потребуются миллионы высококачественных кубитов, учитывая необходимое исправление ошибок.

Прогресс в области сверхпроводящих процессоров быстро прогрессирует, и в настоящее время количество кубитов исчисляется несколькими сотнями. Привлекательность этой технологии заключается в ее высокой вычислительной скорости и совместимости с производством микрочипов. Однако требование крайне низких температур накладывает ограничение на размер процессора и предотвращает любой физический доступ после его охлаждения.

Модульный квантовый компьютер с несколькими отдельно охлаждаемыми процессорными узлами мог бы решить эту проблему. Однако одиночные микроволновые фотоны — частицы света, которые являются естественными носителями информации между сверхпроводящими кубитами внутри процессоров — не подходят для передачи между процессорами при комнатной температуре. Мир при комнатной температуре наполнен теплом, которое легко нарушает микроволновые фотоны и их хрупкие квантовые свойства, такие как запутанность.

Исследователи из группы Fink из Института науки и технологий Австрии (ISTA) вместе с сотрудниками из Технического университета Вены и Мюнхенского технического университета продемонстрировали важный технологический шаг для преодоления этих проблем. Они впервые запутали низкоэнергетические микроволны с высокоэнергетическими оптическими фотонами.

Такое запутанное квантовое состояние двух фотонов является основой для подключения сверхпроводящих квантовых компьютеров через каналы связи при комнатной температуре. Это имеет значение не только для масштабирования существующего квантового оборудования, но также необходимо для реализации межсоединений с другими. квантовые вычисления платформ, а также для новых приложений дистанционного зондирования с квантовым усилением. Их результаты опубликованы в журнале Наука.

Кубит Инфографика

Кубиты являются основными информационными единицами квантовых компьютеров. Они обладают уникальным разнообразием свойств, таких как запутанность. Запутанность важна для квантовых компьютеров, потому что она позволяет им выполнять вычисления так, как это невозможно для неквантовых компьютеров. Кредит: Марк Белан/ISTA

Охлаждение шума

Ришаб Саху, постдоктор группы Fink и один из первых авторов нового исследования, объясняет: «Одной из основных проблем для любого кубита является шум. Шум можно рассматривать как любое возмущение кубита. Одним из основных источников шума является тепло материала, на котором основан кубит».

Тепло заставляет атомы в материале быстро толкаться. Это разрушает квантовые свойства, такие как запутанность, и в результате делает кубиты непригодными для вычислений. Поэтому, чтобы оставаться функциональным, квантовый компьютер должен иметь свои кубиты, изолированные от окружающей среды, охлаждаться до чрезвычайно низких температур и храниться в вакууме, чтобы сохранить их квантовые свойства.

Для сверхпроводящих кубитов это происходит в специальном цилиндрическом устройстве, подвешенном к потолку, называемом «рефрижератор растворения», в котором происходит «квантовая» часть вычислений. Кубиты в самом его низу охлаждаются лишь на несколько тысячных градуса выше абсолютный ноль температура — около -273 градусов Цельсия. Саху взволнованно добавляет: «Это делает эти холодильники в наших лабораториях самыми холодными местами во всей вселенной, даже холоднее, чем сам космос».

Экспериментальная установка с холодильником для растворения, сверхпроводящей полостью и электрооптическим кристаллом

Экспериментальная установка с рефрижератором растворения, сверхпроводящей полостью и электрооптическим кристаллом, расщепляющим и запутывающим фотоны. Кредит: Марк Белан/ISTA

Холодильник должен непрерывно охлаждать кубиты, но чем больше добавляется кубитов и связанной с ними управляющей проводки, тем больше выделяется тепла и тем труднее поддерживать охлаждение квантового компьютера. «Научное сообщество предсказывает, что при наличии около 1000 сверхпроводящих кубитов в одном квантовом компьютере мы достигнем пределов охлаждения», — предостерегает Саху. «Простое масштабирование не является устойчивым решением для создания более мощных квантовых компьютеров».

Финк добавляет: «Более крупные машины находятся в разработке, но каждая сборка и охлаждение становятся сравнимыми с запуском ракеты, когда вы узнаете о проблемах только после того, как процессор остынет, и у вас нет возможности вмешаться и исправить такие проблемы».

Квантовые волны

«Если холодильник разбавления не может достаточно охладить более тысячи сверхпроводящих кубитов одновременно, нам нужно связать несколько квантовых компьютеров меньшего размера для совместной работы», — объясняет Лю Цю, постдоктор в группе Fink и еще один первый автор нового исследования. «Нам понадобится квантовая сеть».

Соединить вместе два сверхпроводящих квантовых компьютера, каждый из которых имеет собственный холодильник растворения, не так просто, как соединить их электрическим кабелем. Соединение требует особого внимания, чтобы сохранить квантовую природу кубитов.

Сверхпроводящие кубиты работают с крошечными электрическими токами, которые перемещаются взад и вперед по цепи с частотой около десяти миллиардов раз в секунду. Они взаимодействуют с помощью микроволновых фотонов — частиц света. Их частоты аналогичны тем, которые используются мобильными телефонами.

Проблема в том, что даже небольшое количество тепла может легко нарушить отдельные микроволновые фотоны и их квантовые свойства, необходимые для соединения кубитов в двух отдельных квантовых компьютерах. При прокладке кабеля вне холодильника тепло окружающей среды сделает его бесполезным.

«Вместо подверженных шуму микроволновых фотонов, которые нам нужны для вычислений в квантовом компьютере, мы хотим использовать оптические фотоны с гораздо более высокими частотами, похожими на видимый свет, для объединения квантовых компьютеров в сеть», — объясняет Цю. Эти оптические фотоны того же типа отправляются по оптическим волокнам, которые доставляют высокоскоростной интернет в наши дома. Эта технология хорошо изучена и гораздо менее чувствительна к шуму от тепла. Цю добавляет: «Задача заключалась в том, как заставить микроволновые фотоны взаимодействовать с оптическими фотонами и как их запутать».

Разделяющий свет

В своем новом исследовании исследователи использовали специальное электрооптическое устройство: оптический резонатор, сделанный из нелинейного кристалла, который меняет свои оптические свойства в присутствии электрического поля. Сверхпроводящий резонатор содержит этот кристалл и усиливает это взаимодействие.

Саху и Цю использовали лазер для отправки миллиардов оптических фотонов в электрооптический кристалл за долю микросекунды. Таким образом, один оптический фотон распадается на пару новых запутанных фотонов: оптический с чуть меньшей энергией, чем исходный, и микроволновый фотон с гораздо меньшей энергией.

«Сложность этого эксперимента заключалась в том, что оптические фотоны обладают примерно в 20 000 раз большей энергией, чем микроволновые фотоны, — объясняет Саху, — и они приносят много энергии и, следовательно, тепла в устройство, которое затем может разрушить квантовые свойства микроволновых фотонов. Мы месяцами работали над настройкой эксперимента и получением правильных измерений».

Чтобы решить эту проблему, исследователи построили более громоздкое сверхпроводящее устройство по сравнению с предыдущими попытками. Это не только предотвращает нарушение сверхпроводимости, но также помогает более эффективно охлаждать устройство и сохранять его холодным в течение короткого времени действия оптических лазерных импульсов.

«Прорыв заключается в том, что два фотона, покидающие устройство — оптический и микроволновый — запутались», — объясняет Цю. «Это было подтверждено путем измерения корреляций между квантовыми флуктуациями электромагнитных полей двух фотонов, которые сильнее, чем это может быть объяснено классической физикой».

«Теперь мы первые, кто запутывает фотоны таких совершенно разных энергетических масштабов». Финк говорит: «Это ключевой шаг к созданию квантовой сети, а также полезный для других квантовых технологий, таких как квантовое восприятие».

Ссылка: «Запутывание микроволн со светом», Р. Саху, Л. Цю, В. Хиз, Г. Арнольд, Ю. Миногучи, П. Рабл и Дж. М. Финк, 18 мая 2023 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.adg3812

Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом, Рамочной программой Horizon 2020 и Австрийским научным фондом.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме