Kvantdatorer är till stor del hypotetiska enheter som kan utföra vissa beräkningar mycket snabbare än vad konventionella datorer kan. Istället för bitarna av klassisk beräkning, som kan representera 0 eller 1, kvantdatorer består av kvantbitar, eller qubits, som kan, på något vis, representerar 0 och 1 samtidigt.

Även om kvantsystem med så många som 12 qubits har demonstrerats i labbet, att bygga kvantdatorer som är tillräckligt komplexa för att utföra användbara beräkningar kommer att kräva miniatyriserad qubit-teknik, ungefär som miniatyriseringen av transistorer möjliggjorde moderna datorer.

Instängda joner är förmodligen den mest studerade qubit-tekniken, men de har historiskt sett krävt en stor och komplex hårdvaruapparat. I dagens Naturens nanoteknik , forskare från MIT och MIT Lincoln Laboratory rapporterar ett viktigt steg mot praktiska kvantdatorer, med ett papper som beskriver ett prototypchip som kan fånga joner i ett elektriskt fält och, med inbyggd optik, rikta laserljus mot var och en av dem.

"Om du tittar på den traditionella församlingen, det är en tunna som har ett vakuum inuti, och inuti det är den här buren som fångar jonerna. Sedan finns det i princip ett helt laboratorium av extern optik som leder laserstrålarna till sammansättningen av joner, " säger Rajeev Ram, en MIT-professor i elektroteknik och en av seniorförfattarna på tidningen. "Vår vision är att ta det externa laboratoriet och miniatyrisera mycket av det på ett chip."

Inburen

Quantum Information and Integrated Nanosystems-gruppen vid Lincoln Laboratory var en av flera forskargrupper som redan arbetade med att utveckla enklare, mindre jonfällor som kallas ytfällor. En vanlig jonfälla ser ut som en liten bur, vars stänger är elektroder som alstrar ett elektriskt fält. Joner radas upp i mitten av buren, parallellt med stängerna. En ytfälla, däremot är ett chip med elektroder inbäddade i dess yta. Jonerna svävar 50 mikrometer ovanför elektroderna.

Burfällor är i sig begränsade i storlek, men ytfällor kan i princip, förlängas på obestämd tid. Med nuvarande teknik, de skulle fortfarande behöva hållas i en vakuumkammare, men de skulle tillåta många fler qubits att fyllas inuti.

"Vi tror att ytfällor är en nyckelteknologi för att göra det möjligt för dessa system att skala till det mycket stora antal joner som kommer att krävas för storskalig kvantberäkning, " säger Jeremy Sage, som tillsammans med John Chiaverini leder Lincoln Laboratorys fångade-jon-kvantinformations-bearbetningsprojekt. "De här burfällorna fungerar väldigt bra, men de fungerar egentligen bara för kanske 10 till 20 joner, och de maxar i princip där."

Att utföra en kvantberäkning, dock, kräver exakt styrning av energitillståndet för varje qubit oberoende, och fångade-jon-qubits styrs med laserstrålar. I en ytfälla, jonerna är bara cirka 5 mikrometer från varandra. Att träffa en enda jon med en extern laser, utan att påverka sina grannar, är otroligt svårt; bara ett fåtal grupper hade tidigare försökt det, och deras tekniker var inte praktiska för storskaliga system.

Att komma ombord

Det är där Rams grupp kommer in. Ram och Karan Mehta, en MIT doktorand i elektroteknik och första författare på den nya tidningen, designade och byggde en svit av optiska komponenter på chip som kan kanalisera laserljus mot enskilda joner. Salvia, Chiaverini, och deras Lincoln Lab-kollegor Colin Bruzewicz och Robert McConnell gjorde om sin ytfälla för att rymma den integrerade optiken utan att kompromissa med dess prestanda. Tillsammans, båda grupperna designade och utförde experimenten för att testa det nya systemet.

"Vanligtvis, för ytelektrodfällor, laserstrålen kommer från ett optiskt bord och går in i detta system, så det finns alltid denna oro för att strålen vibrerar eller rör sig, " säger Ram. "Med fotonisk integration, du är inte bekymrad över strålpekningsstabiliteten, eftersom allt är på samma chip som elektroderna sitter på. Så nu är allt registrerat mot varandra, och det är stabilt."

Forskarnas nya chip är byggt på ett kvartssubstrat. Ovanpå kvartsen finns ett nätverk av vågledare av kiselnitrid, " som leder laserljus över chipet. Ovanför vågledarna finns ett lager av glas, och ovanpå det finns niobelektroderna. Under hålen i elektroderna, vågledarna bryts in i en serie av sekventiella åsar, ett "diffraktionsgitter" exakt konstruerat för att rikta ljus upp genom hålen och koncentrera det till en stråle som är tillräckligt smal för att den kommer att rikta in sig på en enda jon, 50 mikrometer över chippets yta.

Utsikter

Med prototypchippet, forskarna utvärderade prestanda för diffraktionsgittren och jonfällorna, men det fanns ingen mekanism för att variera mängden ljus som levereras till varje jon. I pågående arbete, forskarna undersöker tillägget av ljusmodulatorer till diffraktionsgittren, så att olika qubits samtidigt kan ta emot ljus av olika, tidsvarierande intensiteter. Det skulle göra programmeringen av qubits mer effektiv, som är avgörande i ett praktiskt kvantinformationssystem, eftersom antalet kvantoperationer som systemet kan utföra är begränsat av "koherenstiden" för kvantbitarna.