Komputer kuantum baru saja mendapat dorongan terobosan dengan daya serat optik

Komputasi kuantum mengambil lompatan ke depan dengan qubit yang terhubung dengan serat-optik, membuat sistem kuantum skala besar dan jaringan lebih layak.

Qubit – blok bangunan komputasi kuantum – adalah mendorong kemajuan di seluruh industri teknologi. Di antara mereka, qubit superkonduktor sangat menjanjikan untuk komputer kuantum skala besar. Namun, mereka mengandalkan sinyal listrik, membuat mereka menantang untuk skala.

Dalam terobosan, fisikawan di Institute of Science and Technology Austria (ISTA) telah berhasil mengembangkan pembacaan optik yang sepenuhnya untuk qubit superkonduktor, mengatasi rintangan teknologi utama. Temuan mereka, baru -baru ini diterbitkan di Fisika Alambisa membuka jalan bagi yang lebih terukur dan efisien Komputasi kuantum sistem.

Perlombaan untuk komputer kuantum yang dapat diskalakan berlanjut

Setelah lonjakan selama setahun, stok komputasi kuantum tiba-tiba berhenti hanya beberapa hari ke tahun internasional sains dan teknologi kuantum. Perlambatan dipicu oleh keynote CEO NVIDIA Jensen Huang di CES 2025, di mana ia meramalkan bahwa “komputer kuantum yang sangat berguna” masih dua dekade lagi.

Meskipun fluktuasi pasar dan skeptisisme industri, perlombaan untuk membangun komputer kuantum yang dapat diskalakan tetap kuat. Mesin -mesin ini memiliki potensi untuk mengungguli komputer klasik dalam perhitungan tertentu, tetapi tantangan teknis yang signifikan harus diatasi sebelum menjadi benar -benar praktis.

Terobosan dalam penskalaan perangkat keras kuantum

Sekarang, tim fisikawan dari kelompok Profesor Johannes Fink di Institute of Science and Technology Austria (ISTA) telah mengambil langkah penting untuk membuat komputasi kuantum lebih layak. Mereka mengembangkan metode yang memungkinkan qubit untuk berkomunikasi menggunakan serat optik, secara signifikan mengurangi kebutuhan akan perangkat keras kriogenik besar. “Pendekatan baru ini mungkin memungkinkan kita untuk meningkatkan jumlah qubit sehingga mereka menjadi berguna untuk perhitungan.,” Jelaskan Georg Arnold, seorang penulis pertama dan mantan mahasiswa PhD dalam kelompok Fink. “Ini juga meletakkan fondasi untuk membangun jaringan komputer kuantum superkonduktor yang terhubung melalui serat optik pada suhu kamar.”

Tantangan menerapkan serat optik ke sistem kuantum

Sementara fiberoptics telah merevolusi industri telekomunikasi dengan banyak keunggulan mereka dibandingkan transmisi listrik dan memungkinkan komunikasi berkecepatan tinggi, menerapkan optik pada perangkat keras kuantum bukanlah tugas yang mudah. Komputer kuantum superkonduktor, yang menggunakan sifat fisik khusus bahan pada suhu dekat nol absoluthadapi tantangan mereka sendiri.

Untuk mewujudkan qubit superkonduktor, sirkuit listrik kecil didinginkan hingga suhu yang sangat rendah di mana mereka kehilangan semua hambatan listrik dan dengan demikian dapat mempertahankan arus yang mengalir tanpa batas waktu. “Dengan demikian, qubit superkonduktor adalah listrik menurut definisi. Untuk membuatnya, kita harus mencapai suhu hanya beberapa seribu derajat di atas nol absolut. Itu bahkan lebih dingin dari ruang, ”kata Arnold.

Qubit superkonduktor dan realitas dingin mereka

Namun, sinyal listrik memiliki bandwidth yang relatif rendah, yang berarti mereka mengirimkan sedikit informasi per unit waktu. Mudah diliputi oleh kebisingan, mereka juga rentan terhadap kehilangan informasi. Juga, kabel yang diperlukan menghilangkan banyak panas. Dengan demikian, “pembacaan qubit”, yaitu, mendeteksi dan mengukur qubit dengan mengirimkan sinyal listrik yang mereka pantulkan, membutuhkan pendinginan kriogenik kolosal serta komponen listrik yang rumit dan mahal untuk penyaringan dan amplifikasi.

Di sisi lain, sinyal optik berenergi lebih tinggi-misalnya, pada panjang gelombang telekomunikasi-propagat dalam serat optik tipis dengan kerugian yang sangat kecil. Selain itu, mereka memiliki disipasi panas yang jauh lebih rendah dan bandwidth yang jauh lebih tinggi. Jadi, menggunakannya untuk mendorong batas perangkat keras kuantum superkonduktor akan ideal, jika saja qubit yang akan memahami bahasa mereka.

Sinyal optik 'menerjemahkan' untuk qubit

Untuk mencapai pembacaan yang sepenuhnya optik dalam perangkat keras kuantum superkonduktor, tim perlu menemukan cara untuk 'menerjemahkan' sinyal optik ke qubit dan kembali.

“Idealnya, orang akan mencoba menyingkirkan semua sinyal listrik, karena kabel yang diperlukan mengangkut banyak panas ke ruang pendingin tempat qubit berada. Tapi ini tidak mungkin, ”kata penulis pertama Thomas Werner, seorang mahasiswa PhD dalam kelompok Fink di ISTA.

Jadi, para peneliti berpikir untuk menggunakan transduser elektro-optik untuk mengubah sinyal optik menjadi frekuensi gelombang mikro-sinyal listrik yang dapat dipahami oleh qubit. Sebagai tanggapan, qubit mencerminkan sinyal gelombang mikro yang dikonversi transduser menjadi optik.

Werner menyoroti kelezatan tugas, “Kami menunjukkan bahwa kami dapat mengirim cahaya inframerah dekat qubit tanpa membuat mereka kehilangan superkonduktivitas mereka.” Menggunakan transduser elektro-optik sebagai sakelar memungkinkan tim untuk menghubungkan qubit langsung ke dunia luar.

Breaking the Qubit Barrier: Masa Depan yang Dapat Diukur

Untuk melakukan perhitungan 'berguna' dengan komputer kuantum, ribuan atau bahkan jutaan qubit diperlukan. Namun, infrastruktur mengalami kesulitan menjaga karena persyaratan pendinginan kriogenik untuk mendeteksi dan mengukurnya adalah penghalang. “Teknologi kami dapat mengurangi beban panas mengukur qubit superkonduktif secara signifikan. Ini akan memungkinkan kami untuk memecahkan penghalang qubit dan meningkatkan jumlah qubit yang dapat digunakan dalam komputasi kuantum, ”kata Arnold.

Mencapai pembacaan yang sepenuhnya optik dari qubit superkonduktor juga memungkinkan para peneliti untuk menyingkirkan pengaturan banyak komponen listriknya yang rumit. Sinyal listrik dalam sistem pembacaan konvensional sangat rentan kesalahan, membutuhkan koreksi sinyal skala besar menggunakan banyak komponen listrik yang membatasi secara teknis dan mahal yang juga harus didinginkan hingga suhu kriogenik. “Jadi, dengan menggunakan transduser elektro-optik untuk memutuskan qubit dari infrastruktur listrik, kami dapat mengganti semua bagian yang tersisa dari pengaturan dengan optik,” kata Werner. Ini membuat sistem tidak hanya lebih kuat dan efisien, tetapi juga mengurangi biayanya.

Menghubungkan komputer kuantum dengan cahaya

Teknologi ini dapat membantu meningkatkan jumlah qubit superkonduktor yang dapat digunakan lebih jauh dengan memungkinkan para ilmuwan untuk menghubungkan beberapa komputer kuantum menggunakan cahaya. Saat ini, komputer kuantum membutuhkan apa yang disebut “lemari es pengenceran” untuk memberikan pendinginan untuk seluruh pengaturan pengukuran, termasuk koneksi yang diperlukan antara modul prosesor.

“Tetapi lemari es pengenceran ini juga memiliki keterbatasan praktis dan tidak dapat dibuat besar -besaran,” kata Arnold. Pada gilirannya, pembatasan ruang dan pendinginan membatasi jumlah qubit yang dapat digunakan. Tapi sekarang, menghubungkan dua qubit dalam dua lemari es pengenceran terpisah menggunakan serat optik mungkin dalam jangkauan, menurut para peneliti. “Infrastruktur tersedia, dan sekarang kami memiliki teknologi yang memungkinkan kami untuk membangun jaringan komputasi kuantum sederhana pertama,” kata Arnold.

Langkah Menuju Jaringan Quantum

Fisikawan ISTA telah mencapai tonggak penting dalam mengembangkan perangkat keras kuantum superkonduktor, tetapi masih banyak lagi yang harus dilakukan. “Kinerja prototipe kami masih sangat terbatas – khususnya sehubungan dengan jumlah daya optik yang dibutuhkan dan dihilangkan. Namun demikian, ini berfungsi sebagai bukti prinsip bahwa pembacaan sepenuhnya optik dari qubit superkonduktor bahkan mungkin. Ini akan menjadi peran industri untuk mendorong teknik lebih jauh. “

Referensi: “All-Optical Superconducting Qubit Readout” oleh Georg Arnold, Thomas Werner, Rishabh Sahu, Lucky N. Kapoor, Liu Qiu dan Johannes M. Fink, 11 Februari 2025, Fisika Alam.
Doi: 10.1038/s41567-024-02741-4

Pendanaan: Dewan Penelitian Eropa, Program Kerangka Kerja Horizon 2020, Dana Sains Austria, Öaw