Fotonický čip dosiahol kľúčový moment pre komercializáciu kvantových počítačov

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Integrovaný systém eliminuje potrebu masívnych optických laboratórií.

• Nová metóda chladenia trvá len sto mikrosekúnd.

• Technológia umožňuje škálovanie kvantových počítačov na tisíce qubitov.

Výskumníci z Massachusettského technologického inštitútu a MIT Lincoln Laboratory dosiahli významný prielom v oblasti kvantových počítačov. Vyvinuli nový fotonický čip, ktorý dokáže chladiť zachytené ióny na teploty hlboko pod hranicou, ktorú umožňujú tradičné metódy.

Tento úspech odstraňuje jednu z najväčších prekážok pre praktické nasadenie rozsiahlych kvantových systémov, ktorou je zložitosť a veľkosť chladiacich zariadení. Kvantové počítače využívajúce zachytené ióny patria medzi najsľubnejšie platformy pre budúce superpočítače.

Ich základným stavebným kameňom sú ióny, ktoré musia byť udržiavané v takmer absolútnom pokoji, aby sa predišlo chybám vo výpočtoch spôsobeným tepelnými vibráciami. Doteraz si tento proces vyžadoval zložité optické zostavy veľkosti celých miestností, plné zrkadiel a laserov, ktoré museli byť manuálne nastavované s extrémnou presnosťou.

Nový prístup integruje všetky potrebné optické komponenty priamo do povrchu čipu. Výskumníci využili technológie známe z výroby polovodičov na vytvorenie nanoskopických vlnovodov a antén. Tieto miniatúrne prvky vedú laserové svetlo priamo k iónom s presnosťou, akú je takmer nemožné dosiahnuť pomocou externých šošoviek.

Kľúčovou inováciou je implementácia metódy nazývanej chladenie polarizačným gradientom priamo na čipe. Táto technika využíva interferenciu dvoch laserových lúčov s odlišnou polarizáciou na vytvorenie špecifického svetelného poľa. Ión pohybujúci sa v tomto poli stráca energiu oveľa efektívnejšie ako pri bežnom laserovom chladení.

Experimenty potvrdili, že tento integrovaný systém dokáže ochladiť ióny ytterbia na teploty desaťkrát nižšie, než je takzvaný Dopplerov limit. Dopplerov limit predstavuje teoretickú teplotnú hranicu pre jednoduché laserové chladenie, pod ktorou už atómy nemožno ďalej spomaliť len ožarovaním.

Prekonanie tejto bariéry na kompaktnom čipe je obrovským inžinierskym úspechom. Ďalším kritickým parametrom je rýchlosť, akou dokáže systém atómy ochladiť. Proces na novom čipe trvá približne 100 mikrosekúnd, čo je rádovo rýchlejšie ako pri iných kompaktných riešeniach.

Rýchle chladenie je nevyhnutné pre kvantovú korekciu chýb, ktorá musí prebiehať v reálnom čase počas výpočtov. Energetická efektivita riešenia je tiež pozoruhodná. Keďže svetlo je vedené priamo k cieľu bez strát v priestore, na dosiahnutie rovnakého efektu je potrebný nižší optický výkon. To znižuje tepelné zaťaženie celého systému a zjednodušuje požiadavky na napájanie.

Integrácia tisícov takýchto chladiacich zón na jeden kremíkový plát by mohla viesť k vytvoreniu procesorov s obrovským výpočtovým výkonom. Súčasné systémy sú limitované počtom iónov, ktoré dokážu efektívne ovládať, často len na desiatky. Nová architektúra otvára dvere pre systémy s tisíckami qubitov, ktoré budú schopné riešiť problémy nad rámec možností klasických počítačov.

Schopnosť vyrábať tieto čipy pomocou štandardných priemyselných procesov zaručuje ich reprodukovateľnosť a nízku cenu pri masovej výrobe. To je kľúčový faktor pre komercializáciu kvantových technológií. Odvetvia od farmácie po kryptografiu netrpezlivo očakávajú moment, kedy bude tento výkon k dispozícii.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ:

Odstránenie potreby obrovských laboratórií umožňuje stavbu praktických a škálovateľných kvantových počítačov pre priemysel.

^{Foto: discoverwildscience.com foto: depositphotos.com}