Hemligheten med att bygga supraledande kvantdatorer med enorm processorkraft kan vara en vanlig telekommunikationsteknik – optisk fiber.

Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har mätt och kontrollerat en supraledande kvantbit (qubit) med hjälp av ljusledande fiber istället för elektriska metallledningar, banar väg för att packa en miljon qubits i en kvantdator snarare än bara några tusen. Demonstrationen beskrivs i numret 25 mars av Natur .

Supraledande kretsar är en ledande teknik för att tillverka kvantdatorer eftersom de är pålitliga och lätt att massproducera. Men dessa kretsar måste fungera vid kryogena temperaturer, och scheman för att koppla dem till rumstemperaturelektronik är komplexa och benägna att överhetta qubitarna. En universell kvantdator, kan lösa alla typer av problem, förväntas behöva cirka 1 miljon qubits. Konventionella kryostater—kylskåp med superkall utspädning—med metallledningar kan bara stödja tusentals som mest.

Optisk fiber, ryggraden i telekommunikationsnät, har en glas- eller plastkärna som kan bära en hög volym ljussignaler utan att leda värme. Men supraledande kvantdatorer använder mikrovågspulser för att lagra och bearbeta information. Så ljuset måste omvandlas exakt till mikrovågor.

För att lösa det här problemet, NIST-forskare kombinerade fibern med några andra standardkomponenter som omvandlar, förmedla och mäta ljus i nivå med enskilda partiklar, eller fotoner, som sedan lätt kunde omvandlas till mikrovågor. Systemet fungerade lika bra som metallledningar och bibehöll qubitens bräckliga kvanttillstånd.

"Jag tror att detta framsteg kommer att få stor effekt eftersom det kombinerar två helt olika tekniker, fotonik och supraledande qubits, att lösa ett mycket viktigt problem, "NIST fysiker John Teufel sa. "Optisk fiber kan också bära mycket mer data i en mycket mindre volym än konventionell kabel."

I vanliga fall, forskare genererar mikrovågspulser vid rumstemperatur och levererar dem sedan genom koaxialkablar av metall till kryogeniskt underhållna supraledande qubits. Den nya NIST-inställningen använde en optisk fiber istället för metall för att styra ljussignaler till kryogena fotodetektorer som omvandlade signaler tillbaka till mikrovågor och levererade dem till qubiten. För experimentell jämförelse, mikrovågor kan dirigeras till qubit genom antingen fotonisk länk eller en vanlig koaxial linje.

Den "transmon" qubit som användes i fiberexperimentet var en enhet känd som en Josephson junction inbäddad i en tredimensionell reservoar eller hålighet. Denna korsning består av två supraledande metaller åtskilda av en isolator. Under vissa förhållanden kan en elektrisk ström passera korsningen och kan svänga fram och tillbaka. Genom att tillämpa en viss mikrovågsfrekvens, forskare kan driva qubit mellan lågenergi och exciterade tillstånd (1 eller 0 i digital beräkning). Dessa tillstånd är baserade på antalet Cooper-par - bundna elektronpar med motsatta egenskaper - som har "tunnlat" över korsningen.

NIST-teamet genomförde två typer av experiment, använda den fotoniska länken för att generera mikrovågspulser som antingen mätte eller kontrollerade kvanttillståndet för kvantbiten. Metoden bygger på två samband:Frekvensen med vilken mikrovågor naturligt studsar fram och tillbaka i hålrummet, kallas resonansfrekvensen, beror på qubit-tillståndet. Och frekvensen vid vilken qubit växlar tillstånd beror på antalet fotoner i kaviteten.

Forskare började i allmänhet experimenten med en mikrovågsgenerator. För att kontrollera qubitens kvanttillstånd, enheter som kallas elektrooptiska modulatorer omvandlade mikrovågor till högre optiska frekvenser. Dessa ljussignaler strömmade genom optisk fiber från rumstemperatur till 4K (minus 269 C eller minus 452 F) ner till 20 milliKelvin (tusendelar av en Kelvin) där de landade i höghastighetshalvledarfotodetektorer, som omvandlade ljussignalerna tillbaka till mikrovågor som sedan skickades till kvantkretsen.

I dessa experiment, forskare skickade signaler till qubit vid dess naturliga resonansfrekvens, för att sätta den i önskat kvanttillstånd. Qubiten svängde mellan dess mark och exciterade tillstånd när det fanns tillräcklig lasereffekt.

För att mäta qubitens tillstånd, forskare använde en infraröd laser för att skicka ljus med en specifik effektnivå genom modulatorerna, fiber och fotodetektorer för att mäta kavitetens resonansfrekvens.

Forskare började först qubiten svänga, med undertryckt laserkraft, och använde sedan den fotoniska länken för att skicka en svag mikrovågspuls till kaviteten. Kavitetsfrekvensen indikerade exakt qubitens tillstånd 98% av tiden, samma noggrannhet som erhålls med den vanliga koaxiallinjen.

Forskarna föreställer sig en kvantprocessor där ljus i optiska fibrer sänder signaler till och från qubits, där varje fiber har kapacitet att bära tusentals signaler till och från qubiten.