Физики добились полностью оптического считывания сверхпроводящих кубитов

В то время как оптоволоконные кабели произвели революцию в телекоммуникационной отрасли благодаря своим многочисленным преимуществам перед электрической передачей данных и обеспечили высокоскоростную связь, применение оптики в квантовом оборудовании — непростая задача. Сверхпроводящие квантовые компьютеры, в которых используются особые физические свойства материалов при температурах, близких к абсолютному нулю, сами по себе представляют проблему.

Для создания сверхпроводящих кубитов крошечные электрические схемы охлаждают до чрезвычайно низких температур, при которых они теряют электрическое сопротивление и, таким образом, могут поддерживать постоянный ток бесконечно долго.

«Таким образом, сверхпроводящие кубиты являются электрическими по определению. Чтобы их создать, мы должны достичь температуры всего на несколько тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. Это даже холоднее, чем космос», —говорит соавтор исследования Георг Арнольд, бывший аспирант группы Финка в ISTA.

Тем не менее, электрические сигналы имеют сравнительно низкую пропускную способность, что означает, что они передают мало информации в единицу времени. Легко подавляемые шумом, они также подвержены потере информации. Кроме того, провод рассеивает много тепла. Таким образом, «считывание кубитов», т.е. обнаружение и измерение кубитов путем передачи электрического сигнала, который они отражают, требует колоссального криогенного охлаждения, а также сложных и дорогостоящих электрических компонентов для фильтрации и усиления.

Однако электрические сигналы имеют сравнительно низкую пропускную способность, то есть передают мало информации за единицу времени. Они легко заглушаются шумом и подвержены потере информации. Кроме того, необходимая проводка выделяет много тепла. Таким образом, «считывание кубитов», то есть обнаружение и измерение кубитов путём отправки электрического сигнала, который они отражают, требует колоссального криогенного охлаждения, а также сложных и дорогостоящих электрических компонентов для фильтрации и усиления.

С другой стороны, оптические сигналы с более высокой энергией — например, на телекоммуникационных длинах волн — распространяются в тонких оптических волокнах с минимальными потерями. Кроме того, они значительно меньше нагреваются и имеют гораздо более высокую пропускную способность. Таким образом, их использование для расширения возможностей сверхпроводящего квантового оборудования было бы идеальным, если бы только кубиты понимали их язык.

Чтобы добиться полностью оптического считывания в сверхпроводящем квантовом оборудовании, команде нужно было найти способ «преобразовывать» оптический сигнал в кубиты и обратно.

«В идеале следует попытаться избавиться от всех электрических сигналов, так как необходимая проводка передает много тепла в охлаждающие камеры, где находятся кубиты. Но это невозможно», — говорит соавтор Томас Вернер, аспирант группы Финка в ISTA. Таким образом, исследователи подумали об использовании электрооптического преобразователя для преобразования оптического сигнала в микроволновую частоту — электрический сигнал, который кубиты могут понять. В ответ кубиты отражают микроволновый сигнал, который преобразователь преобразует в оптический.

Вернер подчеркивает деликатность задачи: «Мы показали, что можем посылать инфракрасный свет близко к кубитам, не заставляя их терять свою сверхпроводимость». Использование электрооптического преобразователя в качестве переключателя позволило команде напрямую подключать кубиты к внешнему миру.

Чтобы выполнять «полезные» вычисления с помощью квантовых компьютеров, необходимы тысячи или даже миллионы кубитов. Тем не менее, инфраструктура с трудом справляется со своими потребностями, поскольку требования к криогенным охлаждениям для их обнаружения и измерения непомерно высоки.

«Наша технология может значительно снизить тепловую нагрузку при измерении сверхпроводящих кубитов. Это позволит нам преодолеть барьер и увеличить количество кубитов, которые можно использовать в квантовых вычислениях», — говорит Арнольд.

Достижение полностью оптического считывания сверхпроводящих кубитов также позволило исследователям избавить установку от многих громоздких электрических компонентов. Электрический сигнал в обычных системах считывания сильно подвержен ошибкам, что требует крупномасштабной коррекции сигнала с использованием многих технически ограниченных и дорогостоящих электрических компонентов, которые также должны быть охлаждены до криогенных температур. «Таким образом, используя электрооптический преобразователь для отключения кубитов от электрической инфраструктуры, мы смогли заменить все оставшиеся части установки на оптические», — говорит Вернер. Это делает систему не только более надежной и эффективной, но и снижает ее стоимость.

Эта технология может помочь еще больше увеличить количество используемых сверхпроводящих кубитов, позволяя ученым взаимодействовать с несколькими квантовыми компьютерами с использованием света. В настоящее время квантовые компьютеры нуждаются в так называемых «холодильниках разбавления» для обеспечения охлаждения всей измерительной установки, включая любые необходимые соединения между модулями процессора. «Но эти холодильники с разбавлением также имеют практические ограничения и не могут быть бесконечно большими», — говорит Арнольд. В свою очередь, ограничения по пространству и охлаждению ограничивают количество используемых кубитов. Но теперь соединение двух кубитов в двух отдельных холодильниках для разбавления с помощью оптического волокна может быть в пределах досягаемости, считают исследователи.

Сообщение Физики добились полностью оптического считывания сверхпроводящих кубитов появились сначала на Время электроники.