Физики из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) под руководством Ларко Лончара (Larko Lonchar) совершили важный шаг в развитии квантовых вычислений. Они разработали устройство — фотонный маршрутизатор, которое преобразует микроволновые квантовые сигналы в оптические импульсы. Это может открыть дорогу к созданию глобальных квантовых сетей, использующих уже существующую оптоволоконную инфраструктуру — миллионы километров кабелей, по которым сегодня передаётся свет для интернета и связи. Новая технология обещает сделать квантовые компьютеры более практичными и масштабируемыми.
Квантовые компьютеры, работающие на сверхпроводящих микроволновых кубитах (единицах квантовой информации), обладают рядом преимуществ: их легко масштабировать, они стабильны и совместимы с современными методами производства. Однако есть проблема: такие кубиты требуют сложных систем охлаждения, чтобы поддерживать сверхнизкие температуры, необходимые для их работы. Чем больше кубитов в системе, тем сложнее и громоздче становится охлаждающее оборудование, что делает масштабирование микроволновых систем крайне затруднительным. Новый фотонный маршрутизатор решает эту задачу, позволяя преобразовывать микроволновые сигналы в световые импульсы, которые можно передавать на большие расстояния по оптоволокну с минимальными потерями.
Устройство, созданное командой, представляет собой миниатюрный чип длиной всего 2 миллиметра, размещённый на подложке размером 2 сантиметра. Оно изготовлено из ниобата лития — материала, который обеспечивает эффективный обмен энергией между микроволновым резонатором и двумя оптическими резонаторами. В ходе лабораторных тестов учёные добились преобразования микроволновой энергии в свет с эффективностью 1,18%, сохранив при этом низкий уровень шумов. Это стало возможным благодаря сотрудничеству с компанией Rigetti Computing, предоставившей платформу сверхпроводящих кубитов, а также с исследователями из Чикагского университета и MIT. Чипы для экспериментов были произведены в Центре наноразмерных систем Гарварда.
Оптические фотоны имеют ряд преимуществ перед микроволнами: они обладают более высокой энергией, что делает их устойчивыми к тепловому шуму, а оптоволокно плохо проводит тепло, минимизируя нагрев системы. Кроме того, свет позволяет передавать данные с меньшими потерями и на большие расстояния, что устраняет недостатки микроволновых кабелей, которые обычно громоздки и чувствительны к внешним помехам. Таким образом, фотонный маршрутизатор не только упрощает управление кубитами, но и делает возможным их связь между собой через свет.
«Мы ещё далеки от полноценных квантовых сетей, но этот шаг приближает нас к цели, — говорит Хана Уорнер, первый автор исследования. — Оптические фотоны идеально подходят для передачи информации: они обеспечивают высокую скорость, низкие потери и большую пропускную способность».
Устройство может не только управлять кубитами, но и преобразовывать их состояния в свет для надёжной связи между разными узлами сети. Следующая цель команды — добиться стабильной генерации и передачи квантовой запутанности (особого состояния, связывающего кубиты) с помощью света.