Найдена недостающая фотонная связь для полностью кремниевого квантового интернета
Исследователи из Университета Саймона Фрейзера совершили решающий прорыв в развитии квантовых технологий. Их исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature, описывает наблюдения за более чем 150 000 кремниевых фотонно-спиновых кубитов с «Т-центром», что является важной вехой, открывающей немедленные возможности для создания масштабируемых квантовых компьютеров и квантового Интернета, который их соединит.
Один кубит с Т-центром в решетке кремния (рендеринг), который поддерживает первый одиночный спин, который когда-либо наблюдался оптически в кремнии. Составляющие Т-центра (два атома углерода и атом водорода) показаны оранжевым цветом, а спин электрона с оптической адресацией — бледно-голубым. 1 кредит
Квантовые вычисления обладают огромным потенциалом для обеспечения вычислительной мощности, намного превышающей возможности современных суперкомпьютеров, что может способствовать прогрессу во многих других областях, включая химию, материаловедение, медицину и кибербезопасность.
Чтобы это стало реальностью, необходимо производить как стабильные, долгоживущие кубиты, обеспечивающие вычислительную мощность, так и технологию связи, которая позволяет этим кубитам связываться друг с другом в масштабе.
Прошлые исследования показали, что кремний может производить одни из самых стабильных и долгоживущих кубитов в отрасли. Теперь исследование, опубликованное Дэниелом Хиггинботтомом, Алексом Куркджяном и соавторами, предоставляет доказательство того, что Т-центры, особый люминесцентный дефект в кремнии, могут обеспечивать «фотонную связь» между кубитами. Это исходит от Лаборатории кремниевых квантовых технологий SFU на физическом факультете SFU, которую совместно возглавляют Стефани Симмонс, канадский исследователь в области кремниевых квантовых технологий, и Майкл Теуолт, почетный профессор.
Набор интегрированных фотонных устройств, используемых для выполнения первого полностью оптического односпинового измерения в кремнии. В центре каждой «микрошайбы» визуализируется одно люминесцентное вращение. Спиралевидная стрелка указывает на фотонную связь от одного из этих спиновых кубитов. 1 кредит
«Эта работа является первым изолированным измерением одиночных Т-центров и фактически первым измерением любого одиночного спина в кремнии, которое было выполнено только оптическими измерениями», — говорит Стефани Симмонс.
«Излучатель, подобный Т-центру, который сочетает в себе высокопроизводительные спиновые кубиты и генерацию оптических фотонов, идеально подходит для создания масштабируемых распределенных квантовых компьютеров, потому что они могут обрабатывать и обмениваться данными вместе, а не связывать две разные квантовые технологии для обработки и для связи», — говорит Симмонс.
Кроме того, Т-центры имеют то преимущество, что излучают свет на той же длине волны, что и современные городские волоконно-оптические коммуникации и телекоммуникационное сетевое оборудование.
Изображение с оптического микроскопа массива интегрированных фотонных устройств, использованных для выполнения первого полностью оптического односпинового измерения в кремнии. Десятки тысяч таких «микрошайб» были изготовлены на одном кремниевом фотонном чипе. 1 кредит
«С помощью Т-центров вы можете создавать квантовые процессоры, которые по своей природе взаимодействуют с другими процессорами», — говорит Симмонс. «Когда ваш кремниевый кубит может общаться, излучая фотоны (свет) в том же диапазоне, который используется в центрах обработки данных и оптоволоконных сетях, вы получаете те же преимущества для соединения миллионов кубитов, необходимых для квантовых вычислений».
Разработка квантовых технологий с использованием кремния открывает возможности для быстрого масштабирования квантовых вычислений. Мировая полупроводниковая промышленность уже способна недорого производить кремниевые компьютерные чипы в больших масштабах с ошеломляющей степенью точности. Эта технология составляет основу современных вычислений и сетей, от смартфонов до самых мощных в мире суперкомпьютеров.
Данные, раскрывающие первое оптическое наблюдение спинов в кремнии. Сканирование одного спина двумя лазерами выявляет характерные центральные пики, расщепленные по спину; здесь экспериментальные данные визуализируются как экструдированная мозаика. 1 кредит
Данные, раскрывающие первое оптическое наблюдение спинов в кремнии. Сканирование одного спина двумя лазерами выявляет характерные центральные пики, расщепленные по спину; здесь экспериментальные данные визуализируются в виде мозаичной тепловой карты. 1 кредит
«Найдя способ создания процессоров квантовых вычислений в кремнии, вы сможете воспользоваться всеми годами разработок, знаний и инфраструктуры, используемых для производства обычных компьютеров, вместо того, чтобы создавать совершенно новую отрасль для квантового производства», — говорит Симмонс. «Это представляет собой почти непреодолимое конкурентное преимущество в международной гонке за квантовый компьютер».
