Gå in i ett kvantlabb där forskare fångar joner, och du hittar bänkskivor fulla av speglar och linser, alla fokuseringslasrar för att träffa en jon "instängd" på plats ovanför ett chip. Genom att använda laser för att kontrollera joner, forskare har lärt sig att utnyttja joner som kvantbitar, eller qubits, den grundläggande enheten för data i en kvantdator. Men denna laserinstallation håller nu forskningen tillbaka – vilket gör det svårt att experimentera med mer än ett fåtal joner och att ta ut dessa system från labbet för verklig användning.

Nu, Forskare från Lincoln Laboratory har utvecklat ett kompakt sätt att leverera laserljus till fångade joner. I en tidning publicerad i Natur , forskarna beskriver ett fiberoptiskt block som ansluts till jonfällans chip, kopplingsljus till optiska vågledare tillverkade i själva chipet. Genom dessa vågledare, flera våglängder av ljus kan dirigeras genom chipet och frigöras för att träffa jonerna ovanför det.

"Det är uppenbart för många människor på området att det konventionella tillvägagångssättet, använder fritt utrymme optik som speglar och linser, kommer bara gå så långt, " säger Jeremy Sage, en författare på tidningen och senior personal i Lincoln Laboratory's Quantum Information and Integrated Nanosystems Group. "Om ljuset istället förs in på chipet, den kan dirigeras runt till de många platser där den behöver vara. Den integrerade leveransen av många våglängder kan leda till en mycket skalbar och portabel plattform. Vi visar för första gången att det kan göras."

Flera färger

Beräkning med fångade joner kräver exakt kontroll av varje jon oberoende. Free-space-optik har fungerat bra när man kontrollerar ett fåtal joner i en kort endimensionell kedja. Men slår en enda jon bland ett större eller tvådimensionellt kluster, utan att slå sina grannar, är extremt svårt. När man föreställer sig en praktisk kvantdator som kräver tusentals joner, denna uppgift med laserkontroll verkar opraktisk.

Det hotande problemet fick forskare att hitta ett annat sätt. 2016, Lincoln Laboratory och MIT-forskare visade ett nytt chip med inbyggd optik. De fokuserade en röd laser på chipet, där vågledare på chippet dirigerade ljuset till en gitterkoppling, ett slags mullrande band för att stoppa ljuset och rikta det upp till jonen.

Rött ljus är avgörande för att utföra en grundläggande operation som kallas en kvantport, som laget utförde i den första demonstrationen. Men upp till sex olika färgade lasrar behövs för att göra allt som krävs för kvantberäkning:förbered jonen, kyla ner det, läs av dess energitillstånd, och utföra kvantportar. Med detta senaste chip, teamet har utökat sitt principbevis till resten av dessa erforderliga våglängder, från violett till nära-infrarött.

"Med dessa våglängder, vi kunde utföra den grundläggande uppsättningen operationer som du behöver för att kunna kontrollera fångade joner, " säger John Chiaverini, också en författare på tidningen. Den enda operationen de inte utförde, en två-qubit port, demonstrerades av ett team på ETH Zürich genom att använda ett chip som liknar 2016 års arbete, och beskrivs i en tidning i densamma Natur problem. "Detta arbete i kombination med vårt visar att du har allt du behöver för att börja bygga större fångade joner, ", tillägger Chiaverini.

Fiberoptik

För att göra språnget från en till flera våglängder, teamet konstruerade en metod för att binda ett fiberoptiskt block direkt på sidan av chippet. Blocket består av fyra optiska fibrer, var och en specifik för ett visst intervall av våglängder. Dessa fibrer ligger i linje med en motsvarande vågledare mönstrad direkt på chipet.

"Att få fiberblocket i linje med vågledarna på chipet och applicera epoxin kändes som att utföra operation. Det var en mycket känslig process. Vi hade ungefär en halv mikrometers tolerans och den behövde överleva nedkylning till 4 Kelvin, säger Robert Niffenegger, som ledde experimenten och är första författare på tidningen.

Ovanpå vågledarna sitter ett lager glas. Ovanpå glaset finns metallelektroder, som producerar elektriska fält som håller jonen på plats; hål skärs ut ur metallen över gallerkopplingarna där ljuset släpps ut. Hela enheten tillverkades i Microelectronics Laboratory vid Lincoln Laboratory.

Designa vågledare som kan leverera ljuset till jonerna med låg förlust, undvika absorption eller spridning, var en utmaning, eftersom förlusten tenderar att öka med blåare våglängder. "Det var en process för att utveckla material, mönstrar vågledarna, testar dem, mäta prestanda, och försöker igen. Vi var också tvungna att se till att materialen i vågledarna inte bara fungerade med de nödvändiga våglängderna av ljus, men också att de inte störde metallelektroderna som fångar jonen, " Säger Sage.

Skalbar och bärbar

Teamet ser nu fram emot vad de kan göra med detta helt ljusintegrerade chip. För en, "göra mer, ", säger Niffenegger. "Att lägga de här markerna i en array kan samla många fler joner, var och en kan kontrolleras exakt, öppnar dörren till mer kraftfulla kvantdatorer."

Daniel Slichter, en fysiker vid National Institute of Standards and Technology som inte var involverad i denna forskning, säger, "Denna lätt skalbara teknik kommer att möjliggöra komplexa system med många laserstrålar för parallella operationer, alla automatiskt anpassade och robusta för vibrationer och miljöförhållanden, och kommer enligt min uppfattning att vara avgörande för att förverkliga fångade jonkvantprocessorer med tusentals qubits."

En fördel med detta laserintegrerade chip är att det i sig är motståndskraftigt mot vibrationer. Med externa lasrar, alla vibrationer till lasern skulle få den att missa jonen, liksom eventuella vibrationer till chippet. Nu när laserstrålarna och chipet är sammankopplade, effekterna av vibrationer elimineras effektivt.

Denna stabilitet är viktig för att jonerna ska upprätthålla "koherens, "eller att fungera som qubits tillräckligt länge för att beräkna med dem. Det är också viktigt om instängda jonsensorer ska bli bärbara. Atomklockor baserade på instängda joner, till exempel, kunde hålla tiden mycket mer exakt än dagens standard, och kan användas för att förbättra noggrannheten hos GPS, som förlitar sig på synkronisering av atomur som bärs på satelliter.

"Vi ser detta arbete som ett exempel på att överbrygga vetenskap och teknik, som ger en verklig fördel för både akademin och industrin, " säger Sage. Att överbrygga denna klyfta är målet för MIT Center for Quantum Engineering, där Sage är en huvudutredare. "Vi behöver kvantteknik för att vara robust, levererbar, och användarvänlig, för människor att använda som inte är doktorer i kvantfysik, " Säger Sage.

Samtidigt, teamet hoppas att den här enheten kan hjälpa till att driva akademisk forskning. "Vi vill att andra forskningsinstitut ska använda den här plattformen så att de kan fokusera på andra utmaningar - som att programmera och köra algoritmer med fångade joner på den här plattformen, till exempel. Vi ser det öppnar dörren till ytterligare utforskning av kvantfysik, " säger Chiaverini.