Квантовые компьютеры соединяются

11 декабря 2021 г., 18:05

Многообещающий путь к более крупным квантовым компьютерам - это организация небольших систем, оптимизированных для множества задач. Для динамического соединения и переплетения любых двух систем фотонная интерференция становится мощным методом из-за ее совместимости с устройствами на кристалле и распространения на большие расстояния в квантовых сетях.

Одним из основных препятствий на пути к коммерциализации квантовой фотоники остается изготовление и интеграция масштабируемых квантовых систем в наномасштабе из-за их печально известной чувствительности к мельчайшим возмущениям в ближайшем окружении. Это сделало чрезвычайно сложной задачей разработку систем, которые можно использовать для квантовых вычислений, одновременно предлагая эффективный оптический интерфейс.

Недавний результат, опубликованный в Nature Materials, показывает, как можно преодолеть препятствие интеграции. Работа основана на многонациональном сотрудничестве с исследователями из университетов Штутгарта (Physics 3), Дэвиса, Калифорния, Линчёпинга и Киото, а также Института Фраунгофера в Эрлангене, Центра Гельмгольца в Дрездене и Института Лейбница в Эрлангене. Лейпциг.

Исследователи придерживались двухэтапного подхода. Во-первых, их предпочтительная квантовая система - это так называемый центр вакансии кремния в карбиде кремния, который, как известно, обладает особенно устойчивыми спин-оптическими свойствами. Во-вторых, они изготовили нанофотонные волноводы вокруг этих центров окраски, используя щадящие методы обработки, которые сохраняют основной материал практически без повреждений.

«С помощью нашего подхода мы смогли продемонстрировать, что превосходные спин-оптические свойства наших центров окраски сохраняются после нанофотонной интеграции, - сказал Флориан Кайзер (Florian Kaiser), доцент Штутгартского университета, руководитель этого проекта. - Благодаря надежности наших квантовых устройств мы получили достаточно места для изготовления квантовых вентилей на кубитах с несколькими ядерными спинами. Поскольку эти спины показывают очень долгое время когерентности, они отлично подходят для реализации небольших квантовых компьютеров».

«В этом проекте мы исследовали своеобразную треугольную форму фотонных устройств. Хотя эта геометрия имеет коммерческую привлекательность, поскольку обеспечивает универсальность, необходимую для масштабируемого производства, мало что было известно о ее полезности для высокопроизводительного квантового оборудования. Наши исследования показывают, что излучаемый центром окраски свет, который несет квантовую информацию через чип, может эффективно распространяться в одном оптическом режиме. Это ключевой вывод для жизнеспособности интеграции центров окраски с другими фотонными устройствами, такими как нанорезонаторы, оптическое волокно и однофотонные детекторы, необходимые для реализации всех функций квантовых сетей и вычислений», - говорит Марина Радуласки (Marina Radulaski), доцент Калифорнийского университета в Дэвисе.

Что делает платформу из карбида кремния особенно интересной, так это ее совместимость с КМОП и ее интенсивное использование в качестве мощного полупроводника в электрической мобильности. Теперь исследователи хотят извлечь выгоду из этих свойств, чтобы использовать масштабируемое производство чипов спин-фотоники. Кроме того, они хотят реализовать полупроводниковую схему для электрической инициализации и считывания квантовых состояний своих спиновых кубитов. «Максимальное электрическое управление - вместо традиционного оптического управления с помощью лазеров - является важным шагом на пути к упрощению системы. Комбинация эффективной нанофотоники с электрическим управлением позволит нам надежно объединить больше квантовых систем на одном кристалле, что приведет к значительной производительности, - добавляет Флориан Кайзер. - В этом смысле мы только находимся на заре квантовых технологий с центрами окраски в карбиде кремния. Наша успешная нанофотонная интеграция - это не только захватывающий инструмент для распределенных квантовых вычислений, но она также может повысить производительность компактных квантовых датчиков».

Квантовые компьютеры соединяются