Квантовые компьютеры обещают решать сложные задачи в области материаловедения и криптографии, которые в будущем останутся недосягаемыми даже для самых мощных обычных суперкомпьютеров. Тем не менее, для этого, вероятно, потребуются миллионы высококачественных кубитов из-за требуемого исправления ошибок.

Прогресс в области сверхпроводящих процессоров продвигается быстро, при текущем количестве кубитов в несколько сотен. Преимуществами этой технологии являются высокая скорость вычислений и ее совместимость с изготовлением микрочипов, но необходимость в сверхнизких температурах в конечном счете ограничивает размер процессора и предотвращает любой физический доступ после его охлаждения.

Модульный квантовый компьютер с несколькими отдельно охлаждаемыми процессорными узлами мог бы решить эту проблему. Однако одиночные микроволновые фотоны - частицы света, которые являются носителями информации между сверхпроводящими кубитами внутри процессоров, - не подходят для передачи между процессорами при комнатной температуре. Мир при комнатной температуре переполнен теплом, которое легко нарушает микроволновые фотоны и их хрупкие квантовые свойства, такие как запутанность.

Исследователи из Fink group Австрийского института науки и технологий (ISTA) совместно с сотрудниками Венского технического университета и Мюнхенского технического университета продемонстрировали важный технологический шаг для преодоления этих проблем. Они впервые связали низкоэнергетическую микроволновую печь с высокоэнергетическими оптическими фотонами. Такое запутанное квантовое состояние двух фотонов является основой для подключения сверхпроводящих квантовых компьютеров по каналам связи при комнатной температуре. Это имеет значение не только для расширения масштабов существующего квантового оборудования, но также необходимо для реализации взаимосвязей с другими платформами квантовых вычислений, а также для новых приложений дистанционного зондирования с квантовым усилением. Их результаты были опубликованы в журнале Наука.

Устраняющий шум

Ришаб Саху, постдок в Fink group и один из первых авторов нового исследования, объясняет: "Одной из основных проблем любого кубита является шум. Шум можно рассматривать как любое возмущение кубита. Одним из основных источников шума является нагрев материала, на котором основан кубит."

Тепло заставляет атомы в материале быстро перемещаться. Это разрушает квантовые свойства, такие как запутанность, и, как следствие, делает кубиты непригодными для вычислений. Следовательно, чтобы квантовый компьютер оставался работоспособным, его кубиты должны быть изолированы от окружающей среды, охлаждены до чрезвычайно низких температур и содержаться в вакууме для сохранения их квантовых свойств.

Для сверхпроводящих кубитов это происходит в специальном цилиндрическом устройстве, свисающем с потолка, называемом "холодильником разбавления", в котором происходит "квантовая" часть вычислений. Кубиты в самом его основании охлаждены всего на несколько тысячных градуса выше температуры абсолютного нуля - примерно до -273 градусов по Цельсию. Саху взволнованно добавляет: "Это делает холодильники в наших лабораториях самыми холодными помещениями во всей Вселенной, даже холоднее, чем сам космос".

Холодильник должен непрерывно охлаждать кубиты, но чем больше кубитов и связанных с ними управляющих проводов добавляется, тем больше выделяется тепла и тем сложнее поддерживать охлаждение квантового компьютера. "Научное сообщество предсказывает, что примерно при 1000 сверхпроводящих кубитах в одном квантовом компьютере мы достигнем пределов охлаждения", - предупреждает Саху. "Простое масштабирование не является устойчивым решением для создания более мощных квантовых компьютеров".

Финк добавляет: "Более крупные машины находятся в разработке, но каждая сборка и перезарядка затем становятся сравнимы с запуском ракеты, когда вы узнаете о проблемах только после того, как процессор остынет, и у вас нет возможности вмешаться и устранить такие проблемы".

Квантовые волны

"Если холодильник для разбавления не может достаточно охладить более тысячи сверхпроводящих кубитов одновременно, нам нужно подключить несколько квантовых компьютеров меньшего размера для совместной работы", - объясняет Лю Цю, постдок в Fink group и еще один первый автор нового исследования. "Нам понадобилась бы квантовая сеть".

Соединить вместе два сверхпроводящих квантовых компьютера, каждый со своим собственным холодильником для разбавления, не так просто, как соединить их электрическим кабелем. Эта связь требует особого рассмотрения, чтобы сохранить квантовую природу кубитов.

Сверхпроводящие кубиты работают с крошечными электрическими токами, которые перемещаются взад и вперед по цепи с частотой около десяти миллиардов раз в секунду. Они взаимодействуют с помощью микроволновых фотонов - частиц света. Их частоты аналогичны тем, которые используются мобильными телефонами.

Проблема в том, что даже небольшое количество тепла легко нарушило бы работу одиночных микроволновых фотонов и их квантовых свойств, необходимых для соединения кубитов в двух отдельных квантовых компьютерах. При прохождении по кабелю снаружи холодильника тепло окружающей среды сделало бы их бесполезными.

"Вместо подверженных помехам микроволновых фотонов, которые нам нужны для выполнения вычислений в квантовом компьютере, мы хотим использовать оптические фотоны с гораздо более высокими частотами, подобными видимому свету, для объединения квантовых компьютеров в сеть", - объясняет Цю. Эти оптические фотоны того же типа передаются по оптическим волокнам, которые обеспечивают высокоскоростной доступ в Интернет в наших домах. Эта технология хорошо изучена и гораздо менее восприимчива к тепловому шуму. Цю добавляет: "Проблема заключалась в том, как заставить микроволновые фотоны взаимодействовать с оптическими фотонами и как их запутать".

Расщепляющий свет

В своем новом исследовании исследователи использовали специальное электрооптическое устройство: оптический резонатор, изготовленный из нелинейного кристалла, который изменяет свои оптические свойства в присутствии электрического поля. Этот кристалл находится в сверхпроводящей полости, которая усиливает это взаимодействие.

Саху и Цю использовали лазер для отправки миллиардов оптических фотонов в электрооптический кристалл за долю микросекунды. Таким образом, один оптический фотон распадается на пару новых запутанных фотонов: оптический с энергией лишь немного меньшей, чем у исходного, и микроволновый фотон с гораздо меньшей энергией.

"Сложность этого эксперимента заключалась в том, что оптические фотоны обладают примерно в 20 000 раз большей энергией, чем микроволновые фотоны, - объясняет Саху, - и они приносят много энергии и, следовательно, тепла в устройство, что затем может разрушить квантовые свойства микроволновых фотонов. Мы месяцами работали над настройкой эксперимента и получением правильных измерений". Чтобы решить эту проблему, исследователи создали более объемное сверхпроводящее устройство по сравнению с предыдущими попытками. Это не только позволяет избежать нарушения сверхпроводимости, но и помогает более эффективно охлаждать устройство и сохранять его холодным в течение короткого промежутка времени действия оптических лазерных импульсов.

"Прорыв заключается в том, что два фотона, покидающих устройство - оптический и микроволновый фотоны - запутываются", - объясняет Цю. "Это было подтверждено путем измерения корреляций между квантовыми флуктуациями электромагнитных полей двух фотонов, которые сильнее, чем может быть объяснено классической физикой".

"Теперь мы первые, кто запутал фотоны с такими совершенно разными энергетическими масштабами". Финк говорит: "Это ключевой шаг к созданию квантовой сети, а также полезный для других квантовых технологий, таких как квантово-усиленное зондирование".