Физики совершили прорыв в считывании кубитов с помощью лазерного излучения
Кубиты являются основным строительным блоком для квантовых компьютеров, но они также известны своей хрупкостью — их сложно наблюдать, не стирая при этом их информацию. Теперь новое исследование Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий (NIST) может стать шагом вперед для обработки кубитов легким прикосновением. В ходе исследования группа физиков продемонстрировала, что она может считывать сигналы от типа кубита, называемого сверхпроводящим кубитом, с помощью лазерного света и в то же время не разрушая кубит.
Исследователи говорят , что результаты группы могут стать важным шагом на пути к созданию квантового интернета. Такая сеть могла бы соединить десятки или даже сотни квантовых чипов, что позволило бы инженерам решать задачи, недоступные даже самым быстрым суперкомпьютерам на сегодняшний день. Теоретически они также могли бы использовать аналогичный набор инструментов для отправки невзламываемых кодов на большие расстояния.
Исследование, которое будет опубликовано 15 июня в журнале Nature, было проведено JILA, совместным исследовательским институтом CU Boulder и NIST.
«В настоящее время нет способа отправлять квантовые сигналы между удаленными сверхпроводящими процессорами, как мы отправляем сигналы между двумя классическими компьютерами», — сказал Роберт Делани, ведущий автор исследования и бывший аспирант JILA.
Делани объяснил, что традиционные биты, которые управляют вашим ноутбуком, довольно ограничены: они могут принимать только значение нуля или единицы, числа, которые лежат в основе большинства компьютерных программ на сегодняшний день. Кубиты, напротив, могут быть нулями, единицами или, благодаря свойству, называемому «суперпозиция», существовать как нули и единицы одновременно.
Но работа с кубитами тоже немного похожа на попытку поймать снежинку теплой рукой. Даже малейшее возмущение может разрушить эту суперпозицию, заставив их выглядеть как обычные биты.
В новом исследовании Делани и его коллеги показали, что они могут обойти эту хрупкость. Команда использует тонкий кусок кремния и азота для преобразования сигнала, выходящего из сверхпроводящего кубита, в видимый свет — тот самый свет, который уже передает цифровые сигналы из города в город по оптоволоконным кабелям.
«Исследователи проводили эксперименты по извлечению оптического света из кубита, но не разрушить кубит в процессе — это сложная задача», — сказала соавтор исследования Синди Регал, научный сотрудник JILA и доцент физики в Калифорнийском университете в Боулдере.
Квантовый скачок
Она добавила, что существует множество различных способов сделать кубит.
Некоторые ученые собирали кубиты, захватывая атом лазерным светом. Другие экспериментировали с внедрением кубитов в алмазы и другие кристаллы. Такие компании, как IBM и Google, начали разработку квантовых компьютерных чипов с использованием кубитов, сделанных из сверхпроводников.
Сверхпроводники — это материалы, вокруг которых электроны могут вращаться без сопротивления. При определенных обстоятельствах сверхпроводники будут излучать квантовые сигналы в виде мельчайших частиц света, или «фотонов», которые колеблются на микроволновых частотах.
И вот тут-то и начинается проблема, сказал Делани.
Чтобы отправлять такие квантовые сигналы на большие расстояния, исследователям сначала потребуется преобразовать микроволновые фотоны в видимый свет или оптические фотоны, которые могут относительно безопасно перемещаться по оптоволоконным сетям через город или даже между городами. Но когда дело доходит до квантовых компьютеров, добиться такой трансформации сложно, говорит соавтор исследования Конрад Ленерт.
Отчасти это связано с тем, что одним из основных инструментов, необходимых для превращения микроволновых фотонов в оптические фотоны, является лазерный свет, а лазеры — враг сверхпроводящих кубитов. Если даже один рассеянный фотон от лазерного луча попадет в ваш кубит, он полностью сотрет.
«Хрупкость кубитов и существенная несовместимость между сверхпроводниками и лазерным излучением обычно препятствует такому считыванию», — сказал Ленерт, сотрудник NIST и JILA.
Секретные коды
Чтобы обойти это препятствие, команда обратилась к посреднику: тонкому куску материала, называемому электрооптическим преобразователем.
Делани объяснил, что команда начинает с того, что подсвечивает эту пластину, которая слишком мала, чтобы ее можно было увидеть без микроскопа, с помощью лазерного излучения. Когда микроволновые фотоны кубита сталкиваются с устройством, оно колеблется и испускает новые фотоны, но теперь эти фотоны колеблются с совершенно другой частотой. Входит микроволновый свет, а выходит видимый свет
В последнем исследовании исследователи протестировали свой преобразователь, используя настоящий сверхпроводящий кубит. Они обнаружили, что тонкий материал может обеспечить такое переключение, а также эффективно изолировать друг от друга смертельных врагов, кубиты и лазеры. Другими словами, ни один из фотонов лазерного излучения не просочился назад, чтобы разрушить сверхпроводник.
«Наш электрооптический преобразователь не оказывает большого влияния на кубит, — сказал Делани.
Команда еще не дошла до того, что может передавать реальную квантовую информацию через преобразователь. Помимо прочего, устройство пока не особенно эффективно. В среднем требуется около 500 микроволновых фотонов , чтобы произвести один фотон видимого света.
В настоящее время исследователи работают над улучшением этого показателя. Как только они это сделают, в квантовой сфере могут появиться новые возможности. Теоретически ученые могли бы использовать аналогичный набор инструментов для отправки квантовых сигналов по кабелям, которые автоматически стирали бы их информацию, когда кто-то пытается их подслушать.
Иными словами, «Миссия невыполнима» стала реальностью, и все благодаря чувствительному кубиту.
