El secreto para construir computadoras cuánticas superconductoras con una potencia de procesamiento masiva puede ser una tecnología de telecomunicaciones común: fibra óptica.
Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han medido y controlado un bit cuántico superconductor qubit utilizando fibra conductora de luz en lugar de cables eléctricos metálicos, allanando el camino para empaquetar un millón de qubits en una computadora cuántica en lugar desolo unos pocos miles. La demostración se describe en la edición del 25 de marzo de Naturaleza .
Los circuitos superconductores son una tecnología líder para fabricar computadoras cuánticas porque son confiables y fáciles de producir en masa. Pero estos circuitos deben operar a temperaturas criogénicas, y los esquemas para conectarlos a la electrónica de temperatura ambiente son complejos y propensos a sobrecalentar los qubits.Se espera que la computadora cuántica universal, capaz de resolver cualquier tipo de problema, necesite alrededor de 1 millón de qubits. Los criostatos convencionales refrigeradores de dilución superfríos con cableado metálico solo pueden soportar miles como máximo.
La fibra óptica, la columna vertebral de las redes de telecomunicaciones, tiene un núcleo de vidrio o plástico que puede transportar un gran volumen de señales de luz sin conducir calor. Pero las computadoras cuánticas superconductoras usan pulsos de microondas para almacenar y procesar información. Por lo tanto, la luz debe convertirseprecisamente a las microondas.
Para resolver este problema, los investigadores del NIST combinaron la fibra con algunos otros componentes estándar que convierten, transportan y miden la luz al nivel de partículas individuales, o fotones, que luego podrían convertirse fácilmente en microondas. El sistema funcionó tan bien comocableado de metal y mantuvo los frágiles estados cuánticos del qubit.
"Creo que este avance tendrá un gran impacto porque combina dos tecnologías totalmente diferentes, fotónica y qubits superconductores, para resolver un problema muy importante", dijo el físico del NIST, John Teufel.menor volumen que el cable convencional. "
Normalmente, los investigadores generan pulsos de microondas a temperatura ambiente y luego los envían a través de cables coaxiales de metal a qubits superconductores mantenidos criogénicamente. La nueva configuración del NIST utilizó una fibra óptica en lugar de metal para guiar las señales de luz a fotodetectores criogénicos que convertían las señales de nuevo amicroondas y enviarlas al qubit. Con fines de comparación experimental, las microondas podrían enrutarse al qubit a través del enlace fotónico o una línea coaxial regular.
El qubit "transmon" utilizado en el experimento de fibra era un dispositivo conocido como unión de Josephson incrustada en un depósito o cavidad tridimensional. Esta unión consta de dos metales superconductores separados por un aislante. En determinadas condiciones, una corriente eléctrica puede atravesarla unión y puede oscilar hacia adelante y hacia atrás. Al aplicar una determinada frecuencia de microondas, los investigadores pueden conducir el qubit entre estados de baja energía y excitados 1 o 0 en la computación digital. Estos estados se basan en el número de pares de Cooper - enlazadospares de electrones con propiedades opuestas, que se han "tunelizado" a través de la unión.
El equipo del NIST realizó dos tipos de experimentos, utilizando el enlace fotónico para generar pulsos de microondas que medían o controlaban el estado cuántico del qubit. El método se basa en dos relaciones: La frecuencia a la que las microondas rebotan naturalmente hacia adelante y hacia atrás enla cavidad, llamada frecuencia de resonancia, depende del estado del qubit. Y la frecuencia a la que el qubit cambia de estado depende del número de fotones en la cavidad.
Los investigadores generalmente comenzaron los experimentos con un generador de microondas. Para controlar el estado cuántico del qubit, dispositivos llamados moduladores electro-ópticos convertían las microondas en frecuencias ópticas más altas. Estas señales de luz se transmitían a través de la fibra óptica desde la temperatura ambiente a 4K menos 269 ° C omenos 452 ° F hasta 20 miliKelvin milésimas de Kelvin donde aterrizaron en fotodetectores semiconductores de alta velocidad, que convirtieron las señales de luz de nuevo en microondas que luego se enviaron al circuito cuántico.
En estos experimentos, los investigadores enviaron señales al qubit en su frecuencia de resonancia natural, para ponerlo en el estado cuántico deseado. El qubit oscilaba entre sus estados fundamental y excitado cuando había una potencia láser adecuada.
Para medir el estado del qubit, los investigadores utilizaron un láser infrarrojo para lanzar luz a un nivel de potencia específico a través de los moduladores, la fibra y los fotodetectores para medir la frecuencia de resonancia de la cavidad.
Los investigadores primero iniciaron la oscilación del qubit, con la potencia del láser suprimida, y luego utilizaron el enlace fotónico para enviar un pulso de microondas débil a la cavidad. La frecuencia de la cavidad indicó con precisión el estado del qubit el 98% del tiempo, la misma precisión que se obtuvousando la línea coaxial regular.
Los investigadores visualizan un procesador cuántico en el que la luz en las fibras ópticas transmite señales hacia y desde los qubits, y cada fibra tiene la capacidad de transportar miles de señales hacia y desde el qubit.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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