Forskare vid ETH har demonstrerat en ny teknik för att utföra känsliga kvantoperationer på atomer. I denna teknik, kontrolllaserljuset levereras direkt inuti ett chip. Detta ska göra det möjligt att bygga storskaliga kvantdatorer baserade på fångade atomer.

Att träffa en specifik punkt på en skärm med en laserpekare under en presentation är inte lätt – även den minsta nervösa handskakning blir ett enda stort klotter på avstånd. Tänk dig nu att behöva göra det med flera laserpekare samtidigt. Det är precis det problem som fysiker står inför som försöker bygga kvantdatorer med hjälp av individuella fångade atomer. De, för, behöver rikta laserstrålar – hundratals eller till och med tusentals av dem i samma apparat – exakt över flera meter för att träffa områden som bara är några mikrometer stora som innehåller atomerna. Alla oönskade vibrationer kommer att allvarligt störa kvantdatorns funktion.

På ETH i Zürich, Jonathan Home och hans medarbetare vid Institute for Quantum Electronics har nu demonstrerat en ny metod som gör att de kan leverera flera laserstrålar exakt till rätt platser inifrån ett chip på ett så stabilt sätt att även de mest känsliga kvantoperationer på atomer kan utföras.

Siktar på kvantdatorn

Att bygga kvantdatorer har varit ett ambitiöst mål för fysiker i mer än trettio år. Elektriskt laddade atomer – joner – fångade i elektriska fält har visat sig vara idealiska kandidater för kvantbitarna eller kvantbitarna, vilka kvantdatorer använder för sina beräkningar. Än så länge, minidatorer som innehåller ett dussin qubits kan realiseras på detta sätt. "Dock, om du vill bygga kvantdatorer med flera tusen qubits, vilket förmodligen kommer att vara nödvändigt för praktiskt relevanta tillämpningar, nuvarande implementeringar utgör några stora hinder, " säger Karan Mehta, en postdoc i Homes laboratorium och första författare till studien som nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Natur . Väsentligen, problemet är hur man skickar laserstrålar över flera meter från lasern till en vakuumapparat och så småningom träffar tjurens öga inuti en kryostat, där jonfällorna kyls ner till bara några grader över absoluta nollpunkten för att minimera termiska störningar.

Optisk uppställning som ett hinder

"Redan i nuvarande småskaliga system, konventionell optik är en betydande källa till brus och fel - och det blir mycket svårare att hantera när man försöker skala upp", Mehta förklarar. Ju fler qubits man lägger till, desto mer komplex blir optiken för laserstrålarna vilket behövs för att styra qubits. "Det är här vår strategi kommer in", tillägger Chi Zhang, en Ph.D. student i Homes grupp:"Genom att integrera små vågledare i chipsen som innehåller elektroderna för att fånga jonerna, vi kan skicka ljuset direkt till dessa joner. På det här sättet, vibrationer från kryostaten eller andra delar av apparaten ger mycket mindre störningar."

Forskarna gav ett kommersiellt gjuteri i uppdrag att tillverka chips som innehåller både guldelektroder för jonfällorna och, i ett djupare lager, vågledare för laserljus. I ena änden av markerna, optiska fibrer matar ljuset in i vågledarna, som bara är 100 nanometer tjocka, effektivt bildar optiska ledningar inuti chipsen. Var och en av dessa vågledare leder till en specifik punkt på chipet, där ljuset så småningom avleds mot de fångade jonerna på ytan.

Arbete från några år sedan (av några av författarna till denna studie, tillsammans med forskare vid MIT och MIT Lincoln Laboratory) visat att detta tillvägagångssätt fungerar i princip. Nu har ETH-gruppen utvecklat och förfinat tekniken till den punkt där det också är möjligt att använda den för att implementera kvantlogiska grindar med låga fel mellan olika atomer, en viktig förutsättning för att bygga kvantdatorer.

High-fidelity logiska grindar

I ett konventionellt datorchip, logiska grindar används för att utföra logiska operationer såsom AND eller NOR. För att bygga en kvantdator, man måste se till att den kan utföra sådana logiska operationer på qubits. Problemet med detta är att logiska grindar som verkar på två eller flera qubits är särskilt känsliga för störningar. Detta beror på att de skapar sköra kvantmekaniska tillstånd där två joner samtidigt är i en superposition, även känd som intrasslade tillstånd.

I en sådan superposition, en mätning av en jon påverkar resultatet av en mätning på den andra jonen, utan att de två är i direkt kontakt. Hur bra fungerar produktionen av dessa superpositionstillstånd, och därmed hur bra de logiska grindarna är, kommer till uttryck genom den så kallade troheten. "Med det nya chippet kunde vi utföra två-qubit logiska grindar och använda dem för att producera intrasslade tillstånd med en trohet som hittills endast kunde uppnås i de allra bästa konventionella experimenten, " säger Maciej Malinowski, som också var inblandad i experimentet som Ph.D. studerande.

Forskarna har alltså visat att deras tillvägagångssätt är intressant för framtida jonfällande kvantdatorer eftersom det inte bara är extremt stabilt, men också skalbar. De arbetar för närvarande med olika chips som är avsedda att styra upp till tio qubits åt gången. Vidare, de strävar efter nya konstruktioner för snabba och exakta kvantoperationer som möjliggörs av den optiska kabeldragningen.