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大型量子计算机的光缆

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ETH的研究人员展示了一种对原子执行敏感的量子运算的新技术。在这种技术中,控制激光直接在芯片内部传送。这应该有可能基于被俘获的原子建立大规模的量子计算机。

在演示过程中,用激光指示器在屏幕上击中特定点并不容易,即使是微小的紧张摇动也会在远处变成一头大字。现在想象一下必须同时使用多个激光笔进行操作。这正是物理学家试图使用单个被俘获的原子建造量子计算机所面临的问题。他们也需要瞄准激光束–同一设备中有数百甚至数千束激光束– 精确地超过几米,以便撞击包含原子的只有几微米大小的区域。任何不必要的振动都会严重干扰量子计算机的运行。

具有集成波导的离子陷阱芯片。激光通过右侧的光纤馈入芯片。图片来源:K. Metha / ETH Zurich

在苏黎世的ETH,乔纳森·霍姆(Jonathan Home)和他在量子电子研究所的同事们展示了一种新方法,该方法使他们能够以稳定的方式将多束激光束精确地从芯片内准确地传送到正确的位置,甚至可以对原子进行精细的量子操作。

瞄准量子计算机

三十多年来,制造量子计算机一直是物理学家的宏伟目标。事实证明,被困在电场中的带电原子-离子是量子计算机使用的量子位或量子位的理想候选者。到目前为止,以这种方式可以实现包含大约十二个量子位的微型计算机。

“但是,如果要构建几千个量子比特的量子计算机,这对于实际相关的应用可能是必要的,那么当前的实现方式会遇到一些主要的障碍,”霍姆实验室的博士后,最近发表的这项研究的第一作者卡兰·梅塔说在科学杂志《自然》中。从本质上讲,问题在于如何将几束激光束从激光器发射到真空设备中,并最终击中低温恒温器内的靶心,在低温恒温器中,离子阱被冷却至比绝对零值高几度的温度,以最大程度地减少热干扰。

光学设置成为障碍

“在当前的小规模系统中,常规光学已经成为噪声和误差的重要来源,并且在试图扩大规模时变得更加难以管理。”一个增加的量子比特越多,控制量子比特所需的激光束光学器件就越复杂。 Home小组的博士生Chi Zhang补充说:“这就是我们方法的用武之地:通过将微小的波导集成到包含用于捕获离子的电极的芯片中,我们可以将光直接发送到那些离子。这样,低温恒温器或设备其他部件的振动所产生的干扰要小得多。”

研究人员委托一家商业铸造厂生产芯片,该芯片既包含用于离子阱的金电极,又包含更深层的激光波导。在芯片的一端,光纤将光馈入仅100纳米厚的波导中,从而有效地在芯片内形成光线路。这些波导中的每一个都通向芯片上的特定点,在该点上,光最终朝着表面上捕获的离子偏转。

具有集成波导的离子阱。用于控制两个捕获离子的激光(红色)(蓝色)被传送到芯片内部的离子阱。图片来源:Chiara Decaroli / ETH Zurich

几年前的工作(本研究的一些作者,以及麻省理工学院和麻省理工学院林肯实验室的研究人员)证明了这种方法原则上是可行的。现在,ETH小组已经开发并完善了该技术,以至于可以将其用于实现不同原子之间的低错误量子逻辑门,这是构建量子计算机的重要前提。

高保真逻辑门

在传统的计算机芯片中,逻辑门用于执行逻辑运算,例如与或或非。为了建造量子计算机,人们已经确保可以对量子位执行这样的逻辑运算。问题在于作用在两个或更多量子位上的逻辑门对干扰特别敏感。这是因为它们会产生脆弱的量子力学状态,其中两个离子同时处于重叠状态,也称为纠缠态。

ETH研究人员的横断面’ 新芯片。金电极用于捕获离子,而激光在光学层中直接导向离子。图片来源:Chiara Decaroli / ETH Zurich

在这样的叠加中,一个离子的测量会影响另一离子的测量结果,而这两个离子不会直接接触。这些叠加状态的产生效果如何,以及逻辑门的效果如何,由所谓的保真度表示。参与其中的Maciej Malinowski说:“使用新芯片,我们能够执行两个量子位的逻辑门,并使用它们产生保真度的纠缠态,直到现在,这种纠缠态只有在最好的常规实验中才能实现。”在实验中作为博士生。

因此,研究人员表明,他们的方法对于未来的离子阱量子计算机非常有趣,因为它不仅非常稳定,而且具有可扩展性。他们目前正在使用不同的芯片,这些芯片旨在一次控制多达十个qubit。此外,他们正在寻求新的设计,以实现通过光学布线实现的快速,精确的量子操作。

资源:苏黎世联邦理工学院

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