«Отдельные фотоны являются строительными блоками квантовой фотоники,» сказал Владимир Шалаев, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Пердью.
Инженеры Университета Пердью разработали новые методы создания квантовых фотонных интегральных схем, способных стабильно управлять отдельными фотонами при комнатной температуре.
Исследователи Владимир Шалаев и Александра Болтассева создали технологии для изготовления чипов, которые снижают ограничения на количество кубитов. Платформы из нитрида кремния излучают ровно по одному фотону каждый раз, когда через них проходит лазерный луч. Такие частицы света возникают благодаря намеренно созданным атомным дефектам, встроенным в наноразмерные столбики для обеспечения однородности производства.
Шалаев и Болтассева представили результаты контроля над размещением и количеством дефектов еще на Конференции по лазерам и электрооптике в 2022 году. Подобные разработки помогают сократить число ошибок, вызванных декогеренцией — потерей квантовой информации, от которой страдают все кубитные технологии.
«Допустим, для запуска квантового алгоритма вам нужно сто кубитов, но обычно требуется гораздо больше — скажем, 10 000 кубитов, — чтобы справиться с ошибками, вызванными декогерентностью. Если я каким-то образом сведу эти ошибки к минимуму, то и количество кубитов, необходимых для запуска моего алгоритма, также сократится до минимума,» пояснил Шалаев.
Работы финансировались Научным центром квантовых технологий Министерства энергетики США, Центром квантового фотонного интегрированного проектирования под руководством Университета Пердью, а также армейским исследовательским лабораториям США.
Связь между будущими квантовыми компьютерами через сети из процессоров также требует новых подходов к взаимодействию света и материи. Группа исследователей под руководством Йоханнеса Цейхера, профессора Мюнхенского университета Льюиса Максимилиана, научного руководителя в Институте квантовой оптики Общества Макса Планка и члена Мюнхенского центра квантовой науки и технологий, поместила массив атомов рубидия внутрь оптического резонатора.
В этом устройстве фотон отражается между зеркалами тысячи раз, что усиливает взаимодействие между одиночным атомом и частицей света. Для выполнения логических операций атомы возбуждаются в так называемые ридберговские состояния, в которых они взаимодействуют с соседями на больших расстояниях. Преодолеть помехи от блуждающих электрических полей ученые смогли путем размещения пьезоэлектрических элементов в титановой платформе.
В экспериментах с оптическими пинцетами отдельные атомы рубидия удерживаются с помощью сфокусированных лазерных лучей, выполняющих роль крошечных ловушек. Размещение массива внутри оптической полости из двух высокоотражающих зеркал позволяет фотону проходить через атомы множество раз. Это существенно усиливает слабую связь между одиночной частицей света и атомом.
Для создания необходимых для квантовых логических вентилей взаимодействий атомы переводятся в ридберговские состояния, обеспечивая сильное влияние на соседей на расстоянии нескольких микрометров. Интеграция титановой платформы экранировала атомы от электрических полей пьезоэлектрических элементов, снизив напряженность поля более чем в десять раз. Измерения в одной и той же атомной структуре продемонстрировали как сильное сцепление с резонатором, так и коллективное поведение группы атомов в виде ридберговской блокады.
«Оптические пинцеты, оптические резонаторы и ридберговские атомы обеспечили значительный прогресс в квантовой науке за последнее десятилетие. Объединение их в единую платформу позволяет нам управлять взаимодействием света и материи на совершенно новом уровне. Мы рассматриваем это как шаг к квантовым процессорам, которые взаимодействуют друг с другом посредством света, и к новым способам создания и формирования запутанных состояний света и материи,» отмечает Йоханнес Цейхер, руководивший экспериментом.
Продолжение темы
