Kvantové počítače sa posúvajú bližšie k veľkosti bežného čipu

Vedci z UC Santa Barbara a University of Massachusetts Amherst predstavili dôležitý posun v miniaturizácii kvantových technológií. Po prvý raz ukázali čipový stabilizovaný laser vo viditeľnom spektre, ktorý dokáže pracovať s pascovaným iónom pri izbovej teplote a vykonávať úlohy potrebné pre optické hodiny aj kvantové operácie.

Výsledok je zaujímavý najmä tým, že podobné experimenty si dnes zvyčajne pýtajú rozmerné laboratórne zostavy, veľké optické komponenty a citlivé ladenie. Nový prístup však ukazuje cestu k výrazne menším, prenosnejším a praktickejším kvantovým systémom.

Laser na čipe namiesto veľkej laboratórnej zostavy

Výskumníci vytvorili čipový 674 nm Brillouinov laser na platforme kremíkovej fotoniky. Ten stabilizovali pomocou 3-metrového špirálového rezonátora z nitridu kremíka integrovaného na čipe. Práve táto kombinácia výrazne znižuje šum lasera, čo je pri práci s pascovanými iónmi a optickými hodinami zásadné.

Takéto systémy dnes často zaberajú väčšinu experimentálnej zostavy a vyžadujú veľké referenčné dutiny či ďalšie externé optické prvky. Nové riešenie má veľkú časť tejto infraštruktúry nahradiť kompaktnejšou alternatívou s nižšou spotrebou a menšími nárokmi na priestor.

Fungovanie pri izbovej teplote

Dôležité je aj to, že systém pracuje pri izbovej teplote. Vedci ho použili na riadenie iónového qubitu 88Sr+ a zvládol prípravu stavu, manipuláciu aj meranie. To je výrazný rozdiel oproti predstave, že podobné kvantové experimenty musia nevyhnutne fungovať len v masívnych a prísne kontrolovaných laboratórnych podmienkach.

Výskumníci zároveň ukázali, že ten istý laser dokáže priebežne podporovať hodinové cykly aj qubitové operácie. Inými slovami, nejde len o demonštráciu jedného izolovaného prvku, ale o praktickejší základ pre budúce integrované kvantové obvody.

Veľmi nízky šum a vysoká presnosť

Z hľadiska parametrov ide o zaujímavý výsledok. Krátkodobá stabilita dosiahla 8,8 × 10^-13 pri 20 ms a výstupný SBS laser znížil rýchly šum na úroveň približne 14 Hz fundamentálnej linewidth. Po uzamknutí na rezonátor dosiahol integrálnu linewidth 322 Hz, pričom autori uvádzajú, že pri ďalšom vylepšení serva a zapuzdrenia by sa mohli dostať pod 50 Hz.

Pri samotných kvantových operáciách dosiahli 99,6 % SPAM fidelitu pri qubite 88Sr+ pri izbovej teplote. V spektroskopii sa linewidth zlepšila na 1,5 kHz oproti 12 kHz pri menej pokročilej zostave. Zlepšila sa aj Ramseyho koherencia z 33 μs na 60,5 μs a fidelita jedného Rabiho preklopenia stúpla približne na 92 %.

Prečo je to dôležité

Najväčší význam tejto práce nie je v tom, že by už vznikol kompletný kvantový počítač na jednom čipe. Dôležité je, že sa podarilo miniaturizovať jednu z najnáročnejších častí kvantových zostáv, teda stabilný nízkošumový laserový systém potrebný pre pascované ióny.

Práve to môže v budúcnosti otvoriť cestu ku kompaktnejším optickým hodinám, presným senzorom, kvantovým meracím systémom a neskôr aj škálovateľnejším kvantovým procesorom. Autori navyše hovoria o možnosti nasadenia takýchto prenosných kvantových systémov aj v satelitoch, pri mapovaní gravitácie alebo vo vesmírnych misiách.

Ďalší krok bude plnšia integrácia

Vedci teraz chcú pridať aj ďalšie lasery potrebné pre prípravu stavov, manažment qubitov a kompletný „physics package“ okolo iónovej pasce. Platforma Si3N4 je pritom kompatibilná s CMOS výrobou, čo je dôležité pre budúce škálovanie.

Aj preto ide o výsledok, ktorý nepôsobí len ako laboratórna kuriozita. Skôr ukazuje smer, ktorým sa môže vývoj kvantových technológií uberať v najbližších rokoch: menej stolov plných optiky a viac integrovanej fotoniky na čipe.

Kľúčové body

• vedci ukázali čipový 674 nm stabilizovaný laser pre pascovaný ión 88Sr+
• systém funguje pri izbovej teplote
• laser dokáže zabezpečiť hodinové aj qubitové operácie
• dosiahnutá SPAM fidelita bola 99,6 %
• cieľom je nahradiť veľké laboratórne optické zostavy menším integrovaným riešením
• do budúcna to môže pomôcť pri kvantových senzoroch, optických hodinách aj škálovateľnejších kvantových čipoch

Komentáre

Meno:

:)