Kubity – podstawowe jednostki informacji kwantowej – napędzają całe sektory technologiczne. Wśród nich nadprzewodzące kubity mogą mieć kluczową rolę w budowaniu dużego komputera kwantowego, ale polegają na sygnałach elektrycznych i są trudne do skalowania. W przełomie zespół fizyków w Instytucie Nauki i Technologii Austria (ISTA) osiągnął w pełni optyczne odczyt nadprzewodzących kubitów, przekraczając technologię poza jej obecne ograniczenia. Ich ustalenia zostały teraz opublikowane w Nature Physics.
Po całorocznym rajdzie kwantowe zapasy obliczeniowe zostały zatrzymane zaledwie kilka dni od Międzynarodowego Roku Nauki i Technologii Kwantowej. Powodem tego nagłego niepowodzenia był główny dyrektor generalny NVIDIA, Jensena Huanga na targach Tech na CES 2025, gdzie przewidział, że „bardzo przydatne komputery kwantowe” były jeszcze dwie dekady.
Oprócz rynków giełdowych i targów technologicznych wyścig trwa gwałtownie w kierunku skalowalnych komputerów kwantowych, które mogą wykładać wykładniczo szybciej niż „klasyczne” komputery. Podczas gdy ta obiecująca „przewaga kwantowa” spowodowała szybki rozwój sprzętu kwantowego, wiele przeszkód technicznych musi zostać przezwyciężone, zanim komputery kwantowe stają się „przydatne”.
Teraz zespół fizyków z grupy profesora Johannesa Finka w Institute of Science and Technology Austria (ISTA) udało się przezwyciężyć ważne ograniczenie, które może pomóc w zwiększeniu komputerów kwantowych. Zapewniając, że kubity rozumieją język światłowodów, zespół znacznie zmniejszył ilość kriogenicznego sprzętu potrzebnego do ich zmierzenia. „To nowe podejście może pozwolić nam na zwiększenie liczby kubitów, aby stały się one przydatne do obliczania. Stanowi również podstawę do budowy sieci nadprzewodzących komputerów kwantowych połączonych za pomocą włókien optycznych w temperaturze pokojowej”, mówi autor Georg Arnold, Georg Arnold, Były doktorant w grupie Fink w ISTA.
Wyzwania związane z zastosowaniem światłowodowych do nadprzewodnictwa sprzętu kwantowego
Podczas gdy światłowodowy zrewolucjonizował branżę telekomunikacyjną dzięki wielu zaletom w zakresie transmisji elektrycznej i włączają szybką komunikację, zastosowanie optyki do sprzętu kwantowego nie jest łatwym zadaniem. Nadprzewodzące komputery kwantowe, które wykorzystują specjalne właściwości fizyczne materiałów w temperaturach w pobliżu bezwzględnego zera, stanowią własne wyzwanie. Aby zrealizować nadprzewodzące kubity, niewielkie obwody elektryczne są chłodzone do bardzo niskich temperatur, w których tracą wszelką rezystancję elektryczną, a zatem mogą utrzymać przepływ prądu w nieskończoność. „Zatem kubity nadprzewodzące są z definicji elektryczne. Aby je zrobić, musimy osiągnąć temperatury zaledwie kilku tysięcznych stopni powyżej bezwzględnego zera. To jeszcze chłodniejsze niż przestrzeń”, mówi Arnold.
Jednak sygnały elektryczne mają porównywalnie niską przepustowość, co oznacza, że przesyłają niewiele informacji na jednostkę czasu. Łatwo przytłoczeni hałasem, są również podatne na utratę informacji. Ponadto wymagane okablowanie rozprasza dużo ciepła. Zatem „odczyt Qubit”, tj., Wykrywanie i pomiar kubitów poprzez wysyłanie sygnału elektrycznego, który odzwierciedlają, wymaga kolosalnego chłodzenia kriogenicznego, a także skomplikowane i drogie komponenty elektryczne do filtrowania i wzmocnienia. Z drugiej strony sygnały optyczne o wyższej energii-na przykład przy długości fal telekomunikacyjnych-propagują się w cienkich włóknach optycznych o niewielkich stratach. Ponadto mają znacznie niższe rozpraszanie ciepła i znacznie wyższą przepustowość. Tak więc użycie ich do przekraczania granic nadprzewodzącego sprzętu kwantowego byłoby idealne, gdyby tylko kubity zrozumieją ich język.
„Tłumaczenie” sygnału optycznego na kubity
Aby osiągnąć w pełni odczyt optyczny w nadprzewodzącym sprzęcie kwantowym, zespół musiał znaleźć sposób na „przetłumaczenie” sygnału optycznego na kubity iz powrotem. „Idealnie byłoby, gdyby można było pozbyć się wszystkich sygnałów elektrycznych, ponieważ wymagane okablowanie przenosi dużo ciepła do komora chłodzących, w których są kubity. Ale to nie jest możliwe”, mówi autor Thomas Werner, doktorant, doktorant. W grupie Fink w ISTA. Tak więc naukowcy pomyśleli o zastosowaniu przetwornika elektrooptycznego do przekształcania sygnału optycznego na częstotliwość mikrofalową-sygnał elektryczny, który kubity mogą zrozumieć. W odpowiedzi kubity odzwierciedlają sygnał mikrofalowy, który przetwornik przekształca na optykę. Werner podkreśla przysmak zadania: „Pokazaliśmy, że możemy wysłać światło w podczerwieni blisko kubitów, nie zmuszając ich do stracenia nadprzewodnictwa”. Korzystanie z przetwornika elektrooptycznego jako przełącznika pozwoliło zespołowi na podłączenie kubitów bezpośrednio ze światem zewnętrznym.
Przezwyciężenie bariery Qubit i innych zalet
Aby wykonać „przydatne” obliczenia z komputerami kwantowymi, konieczne są tysiące, a nawet miliony kubitów. Jednak infrastruktura ma trudności z utrzymaniem, ponieważ wymogi kriogeniczne chłodzenia w celu ich wykrycia i pomiaru są wygórowane. „Nasza technologia może znacznie zmniejszyć obciążenie cieplne pomiaru nadprzewodniczych kubitów. Pozwoli nam to złamać barierę kwbitową i zwiększyć skalowanie liczby kubitów, które można zastosować w obliczaniu kwantowym”, mówi Arnold.
Osiągnięcie w pełni optycznego odczytu nadprzewodzących kubitów pozwoliło również naukowcom pozbyć się konfiguracji wielu kłopotliwych elementów elektrycznych. Sygnał elektryczny w konwencjonalnych systemach odczytu jest wysoce podatny na błędy, co wymaga korekcji sygnału na dużą skalę przy użyciu wielu technicznie ograniczających i drogich komponentów elektrycznych, które należy również schłodzić do temperatur kriogenicznych. „Tak więc, używając przetwornika elektrooptycznego do odłączenia kubitów od infrastruktury elektrycznej, byliśmy w stanie zastąpić wszystkie pozostałe części konfiguracji optyką”, mówi Werner. To sprawia, że system nie tylko bardziej solidny i wydajny, ale także zmniejsza jego koszty.
Interfejs nadprzewodzący komputery kwantowe za pośrednictwem linków do temperatury pokojowej
Ta technologia może jeszcze bardziej zwiększyć liczbę użytecznych nadprzewodzących kubitów, umożliwiając naukowcom interfejs wielu komputerów kwantowych za pomocą światła. Obecnie komputery kwantowe potrzebują tak zwanych „lodówek rozcieńczenia”, aby zapewnić chłodzenie całej konfiguracji pomiaru, w tym wszelkie wymagane połączenia między modułami procesora. „Ale te rozcieńczone lodówki mają również praktyczne ograniczenia i nie mogą być nieskończenie duże” – mówi Arnold. Z kolei ograniczenia przestrzeni i chłodzenia ograniczają liczbę użytecznych kubitów. Ale teraz łączenie dwóch kubitów w dwóch oddzielnych lodówkach rozcieńczających za pomocą światłowodu może być w zasięgu, według naukowców. „Infrastruktura jest dostępna, a teraz mamy technologię, która pozwala nam budować pierwsze proste sieci obliczeniowe kwantowe”, mówi Arnold.
Fizycy ISTA osiągnęli znaczący kamień milowy w opracowywaniu nadprzewodnictwa sprzętu kwantowego, ale wiele pozostaje do zrobienia. „Wydajność naszego prototypu jest nadal dość ograniczona – w szczególności w odniesieniu do ilości potrzebnej i rozproszonej mocy optycznej. Niemniej jednak służy jako dowód zasady, że w pełni optyczne odczyt nadprzewodników jest nawet możliwy. Będzie to możliwe. To będzie Rola branży polegała na dalszym popchnięciu techniki. ”