Учёные из Цюриха создали компактный оптический квантовый переключатель

Квантовые компьютеры на основе лазеров с кубитами в виде пойманных в ловушки ионов интересны, но очень громоздки. Лазерный луч преодолевает многометровые дистанции по целой системе зеркал, линз и прочего оборудования, прежде чем попасть в пару запутанных ионов. Масштабировать такие системы до сотен и тысяч кубитов — та ещё забота. Особенно если учесть, что ловушки (кубиты) охлаждаются почти до абсолютного нуля. Но решение проблемы есть, и оно испытано.

Ионная ловушка со встроенными оптическими волноводами. Источник изображения: K. Metha / ETH Zurich

Ещё несколько лет назад группа исследователей из MIT предложила направлять на кубиты лазерный луч не по воздуху (как в примере на фото ниже), а по волноводам внутри чипа с ионной ловушкой. Это предложение недавно реализовано группой учёных из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). Исследователи разработали, создали и испытали фактически оптический квантовый переключатель, который может проложить путь к масштабируемым квантовым компьютерам общего назначения.

«Типичный» квантовый компьютер на линейных оптических элементах (Quantum Optics Lab Olomouc)

С помощью классического техпроцесса был изготовлен кремниевый чип с волноводами толщиной 100 нм. На картинке можно увидеть схематическое изображение чипа в том месте, где лазерный луч вырывается на волю — выходит из оконечности волновода внутри чипа и ударяет в пару запутанных ионов. Ионы, в свою очередь, улавливаются двумя электродами — каждый своим, а вместе они в такой системе находятся в запутанном состоянии.

Изображение ионной ловушки в разрезе с волноводами внутри. Источник изображения: Chiara Decaroli / ETH Zurich

«Интегрируя крошечные волноводы в микросхемы, содержащие электроды для захвата ионов, мы можем направлять свет непосредственно на эти ионы. Таким образом, вибрации криостата или других частей устройства вызывают гораздо меньше помех».

Лазерный луч выходит изнутри чипа, а не снаружи, как раньше. Источник изображения: Chiara Decaroli / ETH Zurich

В предложенном решении волноводы можно развести для управления многими ловушками, расположенными очень плотно. Это упрощает оптическую систему и защищает её от помех и ошибок. В производстве подобные ловушки будут очень дёшевы, но главное, что подобные решения помогут значительно и без затрат увеличить количество кубитов в составе оптических квантовых компьютеров.