Licht ontmoet supergeleidende circuits
Leidend technologie Bedrijven als Google, Microsoft en IBM hebben zwaar geïnvesteerd in kwantumcomputersystemen op basis van microgolfsupergeleiding circuit platforms en hebben geprobeerd deze op te schalen om commerciële computerplatforms te ontwikkelen.
Een succesvolle kwantumcomputer heeft een aanzienlijk aantal qubits nodig, de bouwstenen van kwantumcomputers, zodat deze kwantuminformatie kan opslaan en manipuleren.
Echter, quantum-signalen kunnen worden besmet door thermische ruis die wordt gegenereerd door de beweging van elektronen en om dit te voorkomen moeten supergeleidende kwantumsystemen werken bij ultralage temperaturen – minder dan 20 milli-Kelvin – wat wordt bereikt met behulp van cryogene heliumverdunningskoelkasten. .
De uitgangsmicrogolfsignalen van dergelijke systemen worden versterkt door ruisarme transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT's) bij lage temperaturen. Signalen worden vervolgens buiten de koelkast geleid via microgolfcoaxkabels, wat de gemakkelijkste oplossingen zijn om supergeleidende apparaten te besturen en uit te lezen, maar slechte warmte-isolatoren zijn en veel ruimte in beslag nemen. Dit wordt een cruciaal probleem wanneer bedrijven duizenden qubits willen opschalen om commerciële platforms te ontwikkelen.
Als reactie daarop hebben onderzoekers van de School of Basic Sciences van EPFL een nieuwe aanpak ontwikkeld die licht gebruikt om supergeleidende circuits uit te lezen, waarmee de schaaluitdagingen van kwantumsystemen worden overwonnen.
De wetenschappers vervingen HEMT-versterkers en coaxkabels door respectievelijk een lithiumniobaat elektro-optische fasemodulator en optische vezels. Microgolfsignalen van supergeleidende circuits moduleren een laserdrager en coderen informatie over het uitgangslicht bij cryogene temperaturen. Optische vezels zijn ongeveer 100 keer betere warmte-isolatoren dan coaxkabels en zijn 100 keer compacter. Dit maakt de engineering van grootschalige kwantumsystemen mogelijk zonder dat daarvoor een enorm cryogeen koelvermogen nodig is. Bovendien vergemakkelijkt de directe conversie van microgolfsignalen naar het optische domein overdracht en netwerken over lange afstanden tussen kwantumsystemen.
"We hebben een proof-of-principle-experiment gedemonstreerd met behulp van een nieuw optisch uitleesprotocol om een supergeleidend apparaat optisch te meten bij cryogene temperaturen", zegt Amir Youssefi, een promovendus die aan het project werkt. “Het opent een nieuwe weg om toekomstige kwantumsystemen op te schalen.”
Om deze aanpak te verifiëren, voerde het team conventionele coherente en onsamenhangende spectroscopische metingen uit op een supergeleidend elektromechanisch circuit, wat een perfecte overeenkomst vertoonde tussen optische en traditionele HEMT-metingen.
Hoewel dit project gebruik maakte van een commerciële elektro-optische fasemodulator, ontwikkelen de onderzoekers momenteel geavanceerde elektro-optische apparaten op basis van geïntegreerde lithiumniobaattechnologie om de conversie-efficiëntie van hun methode aanzienlijk te verbeteren en de ruis te verminderen.
De resultaten van dit werk werden voor het eerst gepubliceerd in Natuurelektronica.