En ny mikrobrikke utviklet ved University of Colorado Boulder og Sandia National Laboratories kan bli et vendepunkt for kvanteberegning. Enheten, nesten 100 ganger tynnere enn bredden på et menneskehår, lover ekstrem presisjon og lavt strømforbruk. Studien er publisert i Nature Communications.

Dette har forskerne laget

Brikken er en optisk fasemodulator som kontrollerer laserlys med ekstrem presisjon – en kritisk funksjon for fremtidens kvantedatamaskiner som kan basere seg på tusenvis eller millioner av qubits, de grunnleggende enhetene som lagrer og prosesserer kvanteinformasjon.

Prosjektet ledes av Jake Freedman, en kommende doktorgradsstudent, sammen med professor Matt Eichenfield og forskere fra Sandia National Laboratories.

Hvorfor dette er et gjennombrudd

Det virkelig nye er ikke bare størrelsen, men hvordan brikken produseres. I stedet for spesialbygde laboratorieoppsett benyttes skalerbare produksjonsmetoder som ligner dem som brukes til prosessorer i datamaskiner, smarttelefoner og kjøretøy. Det gjør enheten langt mer praktisk å masseprodusere.

I tillegg er brikken svært energieffektiv. Den bruker omtrent 80 ganger mindre mikrobølgeeffekt enn mange eksisterende kommersielle modulatorer. Lavere strømforbruk gir mindre varme og gjør det mulig å pakke flere kanaler tett sammen, til og med på en enkelt brikke. Det er avgjørende for å kunne skalere opp kvantedatamaskiner til hundretusener av qubits.

• Nesten 100× tynnere enn bredden på et menneskehår
• Omtrent 80× lavere mikrobølgeeffekt enn mange modulatorer i dag
• Masseproduserbar med etablerte chip-metoder
• Publisert i Nature Communications

Fra laboratoriebenk til brikke

I dag lages presise frekvensforskyvninger ofte med store bordmodeller som krever betydelig mikrobølgeeffekt. Det skalerer dårlig.

«Det er umulig å bygge en kvantedatamaskin med 100 000 store elektrooptiske modulatorer plassert i et lager fullt av optiske bord.» – professor Matt Eichenfield

Fremtidens kvantedatamaskiner trenger løsninger som kan masseproduseres uten å måtte settes sammen for hånd. Nettopp her kan den nye brikken bli avgjørende.

Treffer kjernen i atombasert kvantedata

Teknologien er spesielt viktig for kvantedatamaskiner basert på fanget ioner eller nøytrale atomer, der hvert atom fungerer som en qubit. Forskere samhandler med disse atomene ved å rette nøye innstilte laserstråler mot dem, noe som krever ekstremt presis kontroll – ofte ned til milliarddeler av en prosent.

Veien videre

Forskerne arbeider nå med fullstendig integrerte fotoniske kretser som kombinerer frekvensgenerering, filtrering og pulsforming på en enkelt brikke. Neste trinn er å samarbeide med kvanteberegningsselskaper for å teste disse brikkene i avanserte kvantedatamaskiner basert på fanget-ion og fanget-nøytral-atom-teknologi.

Prosjektet har fått støtte fra det amerikanske energidepartementet gjennom Quantum Systems Accelerator-programmet.

«Denne enheten er en av de siste brikkene i puslespillet. Vi nærmer oss en virkelig skalerbar fotonisk plattform som kan kontrollere svært store antall qubits.» – Jake Freedman

Hovedpoeng: Med en ekstremt effektiv og masseproduserbar optisk fasemodulator tar forskerne et stort steg mot praktiske, storskala kvantedatamaskiner. Neste fase blir å demonstrere ytelsen i faktiske kvantesystemer.

Kilder: University of Colorado Boulder, ScienceDaily, Nature Communications, The Quantum Insider, SciTechDaily