Licht trifft auf supraleitende Schaltkreise
Führend Technologie Unternehmen wie Google, Microsoft und IBM haben stark in Quantencomputersysteme investiert, die auf Mikrowellen-Supraleitung basieren Schaltung Plattformen und haben versucht, sie zu skalieren, um kommerzielle Computerplattformen zu entwickeln.
Ein erfolgreicher Quantencomputer benötigt eine erhebliche Anzahl von Qubits, die Bausteine von Quantencomputern, damit er Quanteninformationen speichern und manipulieren kann.
QUantumsignale können durch thermisches Rauschen verunreinigt werden, das durch die Bewegung von Elektronen erzeugt wird. Um dies zu verhindern, müssen supraleitende Quantensysteme bei extrem niedrigen Temperaturen - weniger als 20 Milli-Kelvin - betrieben werden, was mit kryogenen Heliumverdünnungskühlschränken erreicht wird .
Die Ausgangsmikrowellensignale solcher Systeme werden durch rauscharme Hochelektronenmobilitätstransistoren (HEMTs) bei niedrigen Temperaturen verstärkt. Die Signale werden dann über Mikrowellen-Koaxialkabel außerhalb des Kühlschranks geleitet. Dies sind die einfachsten Lösungen zum Steuern und Lesen von supraleitenden Geräten, sie sind jedoch schlechte Wärmeisolatoren und nehmen viel Platz ein. Dies wird zu einem kritischen Problem, wenn Unternehmen versuchen, Qubits zu Tausenden zu vergrößern, um kommerzielle Plattformen zu entwickeln.
Als Reaktion darauf haben Forscher der EPFL School of Basic Sciences einen neuartigen Ansatz entwickelt, bei dem mithilfe von Licht supraleitende Schaltkreise ausgelesen werden, um die Skalierungsprobleme von Quantensystemen zu bewältigen.
Die Wissenschaftler ersetzten HEMT-Verstärker und Koaxialkabel durch einen elektrooptischen Lithiumniobat-Phasenmodulator bzw. optische Fasern. Mikrowellensignale von supraleitenden Schaltkreisen modulieren einen Laserträger und codieren Informationen über das Ausgangslicht bei kryogenen Temperaturen. Optische Fasern sind etwa 100-mal bessere Wärmeisolatoren als Koaxialkabel und 100-mal kompakter. Dies ermöglicht die Entwicklung großer Quantensysteme, ohne dass eine enorme kryogene Kühlleistung erforderlich ist. Darüber hinaus erleichtert die direkte Umwandlung von Mikrowellensignalen in die optische Domäne die Übertragung und Vernetzung zwischen Quantensystemen über große Entfernungen.
"Wir haben ein Proof-of-Principle-Experiment unter Verwendung eines neuartigen optischen Ausleseprotokolls demonstriert, um ein supraleitendes Gerät bei kryogenen Temperaturen optisch zu messen", sagte Amir Youssefi, ein Doktorand, der an dem Projekt arbeitet. "Es eröffnet einen neuen Weg, um zukünftige Quantensysteme zu skalieren."
Um diesen Ansatz zu verifizieren, führte das Team konventionelle kohärente und inkohärente spektroskopische Messungen an einem supraleitenden elektromechanischen Schaltkreis durch, die eine perfekte Übereinstimmung zwischen optischen und herkömmlichen HEMT-Messungen zeigten.
Obwohl in diesem Projekt ein kommerzieller elektrooptischer Phasenmodulator verwendet wurde, entwickeln die Forscher derzeit fortschrittliche elektrooptische Geräte, die auf der integrierten Lithiumniobat-Technologie basieren, um die Umwandlungseffizienz ihrer Methode und das geringere Rauschen erheblich zu verbessern.
Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden erstmals in veröffentlicht Naturelektronik.