Optinen johdotus suurille kvanttitietokoneille

Poikkileikkaus ETH-tutkijoiden uudesta sirusta. Kultaelektrodeja käytetään ionien ansoittamiseen, kun taas laservalo ohjataan suoraan ioneihin optiikkakerroksessa.

Kvanttitietokoneiden toteutuksissa ansoitetut sähköisesti varautuneet atomit eli ionit ovat osoittautuneet ihanteellisiksi ehdokkaiksi kubiteille. Laiteratkaisut, jotka sisältävät noin tusinan verran kubitteja, voidaan toteuttaa nykyisellä tavalla, mutta kun käytännössä kubitteja tarvitaan useita tuhansia, se ei enää onnistu.

Pohjimmiltaan ongelmana on, kuinka ohjata lasersäteet useiden metrien etäisyydeltä tyhjiölaitteeseen ja osumaan yksittäiseen atomiin kryostaatin sisällä.

Zürichin ETH:ssä Jonathan Home ja hänen työtoverinsa ovat osoittaneet uuden menetelmän, jonka avulla he voivat toimittaa useita lasersäteitä tarkasti oikeisiin paikkoihin sirun sisällä niin vakaalla tavalla, että jopa herkimmät kvanttioperaatiot atomeille voidaan toteuttaa.

"Jo nykyisissä pienimuotoisissa järjestelmissä perinteinen optiikka on merkittävä kohinan ja virheiden lähde ja se tulee paljon vaikeammaksi hallita, kun järjestelmää yritetään laajentaa", postdoc Karan Mehta selittää.

Tutkijat ovat jo aiemmin ideoineet siirtää laservalo kuiduilla ja aaltojohteilla siruilla aina atomeille asti. Nyt he ovat rakentaneet sirun joka sisältää elektrodit ionien vangitsemiseksi. Aaltojohteilla voimme lähettää valon suoraan ioneille. Näin kryostaatin tai laitteen muiden osien värähtelyt aiheuttavat paljon vähemmän häiriöitä.

Kehitetyt sirut sisältävät sekä kultaelektrodit ioniansalle että syvemmässä kerroksessa aaltojohteet laservalolle. Sirujen toisessa päässä optiset kuidut syöttävät valoa aaltojohteisiin, joista kukin jatkuu tiettyyn kohtaan sirussa, jossa valo lopulta taipuu pintaan ansoitettujen ionien suuntaan.

Aiempaan työhön nähden ETH-ryhmä on nyt kehittänyt ja tarkentanut tekniikkaansa siihen pisteeseen, että sitä on mahdollista käyttää myös pienivirheisten kvanttilogiikkaporttien toteuttamiseen eri atomien välillä, mikä on tärkeä edellytys kvanttitietokoneiden rakentamiselle. Juuri logiikkatoiminnot ovat erityisen herkkiä häiriöille, koska niissä hyödynnetään lomittuneita tiloja.

"Uuden sirun avulla pystyimme toteuttamaan kaksikubittiset logiikkaportit ja käyttämään niitä tuottamaan lomittuneita tiloja tasolla, joka toistaiseksi voidaan saavuttaa vain parhaissa perinteisissä kokeissa", sanoo tohtorikoulutettava Maciej Malinowski.

Tutkijat ovat näin osoittaneet lähestymistapansa olevan mielenkiintoinen tuleville ioniansoitetuille kvanttitietokoneille, koska se on erittäin vakaa mutta myös skaalautuva.

Nyt he työskentelevät sirujen parissa, joiden on tarkoitus hallita jopa kymmenen kubittia kerrallaan. Lisäksi he etsivät uusia malleja nopealle ja tarkalle kvanttioperaatiolle, jonka optinen johdotus tekee mahdolliseksi.

Myös MIT:n Lincolnin Laboratoryn tutkijat ovat esitelleet vastaavaa tapaa toimittaa laservaloa loukkuun ajetuille ioneille. Heidän ratkaisussa aaltojohtimien kautta voidaan ohjata sirun läpi useita valon aallonpituuksia ja osumaan yläpinnalla oleviin ioneihin.

Jopa kuusi eriväristä laseria tarvitaan kaiken kvanttilaskennan edellyttämän valmistamiseksi: ionin valmistelemiseksi, jäähdyttämiseksi, energiatilan lukemiseksi ja kvanttiporttien suorittamiseksi. Uusimmalla työllään ryhmä on nyt laajentanut aiemman periaatetodistuksensa muille tarvittaville aallonpituuksille violetista lähi-infrapunaan.

"Näillä aallonpituuksilla pystyimme suorittamaan perustoiminnot, joita tarvitaan hallitsemaan loukkuun jääneitä ioneja", kertoo John Chiaverini.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttitietokoneet tehostuvat

Tehokkain kvanttitietokone yhden atomin kubitilla