Cahaya memenuhi litar superkonduktor

Memimpin teknologi syarikat seperti Google, Microsoft dan IBM, telah melabur banyak dalam sistem pengkomputeran kuantum berdasarkan superkonduktor gelombang mikro litar platform dan telah berusaha meningkatkannya untuk mengembangkan platform pengkomputeran komersial.

Komputer kuantum yang berjaya memerlukan sebilangan besar qubit, blok bangunan komputer kuantum, sehingga dapat menyimpan dan memanipulasi maklumat kuantum.

Walau bagaimanapun, qisyarat uantum dapat dicemari oleh bunyi terma yang dihasilkan oleh pergerakan elektron dan, untuk mengelakkan ini, sistem kuantum superkonduktor perlu beroperasi pada suhu ultra rendah - kurang dari 20 mili-Kelvin - yang dicapai dengan menggunakan peti sejuk pencairan helium kriogenik .

Isyarat gelombang mikro keluaran dari sistem sedemikian diperkuat oleh transistor mobiliti elektron tinggi dengan bunyi rendah (HEMTs) pada suhu rendah. Isyarat kemudian disalurkan ke luar peti sejuk dengan kabel sepaksi gelombang mikro, yang merupakan penyelesaian termudah untuk mengawal dan membaca peranti superkonduktor tetapi pengasingan panas yang lemah, dan mengambil banyak ruang. Ini menjadi masalah kritikal apabila syarikat ingin meningkatkan qubit dalam ribuan untuk mengembangkan platform komersial.

Sebagai tindak balas, para penyelidik di Sekolah Sains Asas EPFL telah mengembangkan pendekatan baru yang menggunakan cahaya untuk membaca rangkaian superkonduktor, mengatasi cabaran penskalaan sistem kuantum.

Para saintis menggantikan penguat HEMT dan kabel sepaksi dengan modulator fasa elektro-optik litium niobate dan gentian optik masing-masing. Isyarat gelombang mikro dari litar superkonduktor memodulasi pembawa laser dan menyandikan maklumat mengenai cahaya output pada suhu kriogenik. Gentian optik adalah pengasingan haba kira-kira 100 kali lebih baik daripada kabel sepaksi dan 100 kali lebih padat. Ini membolehkan kejuruteraan sistem kuantum berskala besar tanpa memerlukan kekuatan penyejukan kriogenik yang besar. Sebagai tambahan, penukaran isyarat gelombang mikro secara langsung ke domain optik memudahkan pemindahan jarak jauh dan rangkaian antara sistem kuantum.

"Kami telah menunjukkan percubaan bukti prinsip menggunakan protokol pembacaan optik baru untuk mengukur alat superkonduktor secara optik pada suhu kriogenik," kata Amir Youssefi, seorang pelajar PhD yang mengerjakan projek ini. "Ini membuka jalan baru untuk skala sistem kuantum masa depan."

Untuk mengesahkan pendekatan ini, pasukan melakukan pengukuran spektroskopi koheren dan tidak koheren konvensional pada litar elektromekanik superkonduktor, yang menunjukkan persetujuan yang sempurna antara pengukuran HEMT optik dan tradisional.

Walaupun projek ini menggunakan modulator fasa elektro-optik komersial, para penyelidik kini sedang mengembangkan peranti elektro-optik canggih berdasarkan teknologi lithium niobate bersepadu untuk meningkatkan kecekapan penukaran kaedah mereka dan mengurangkan kebisingan.

Hasil karya ini pertama kali diterbitkan di Elektronik Alam.