Исследователи из Корнеллского университета (США) разработали способ лазерного охлаждения, который может устранить одно из главных препятствий на пути к более крупным и быстрым квантовым компьютерам. Работа опубликована 9 ноября в журнале PRX Quantum, руководил ею Каран Мехта, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерного колледжа Даффилда.

В квантовых компьютерах на ионах в ловушке информацию обрабатывают отдельные заряженные атомы (ионы), удерживаемые электромагнитными полями. Такие системы дают очень точное управление квантовыми состояниями, но даже мельчайшие нежелательные колебания мешают расчётам. Поэтому ионы приходится постоянно охлаждать лазерами почти до самого низкого энергетического состояния - а это, как отмечают авторы, отнимает удивительно большую долю рабочего времени компьютера.

"Можно подумать, что основное время уходит на логические операции, - говорит Мехта. - Но охлаждение, особенно до квантового основного состояния, оказывается главным узким местом в передовых системах".

Команда использовала интегрированную фотонную технологию: свет направляется по микроскопическим дорожкам на том же чипе, где находятся атомы. Исследователи создали стоячую волну - картину из чередующихся областей высокой и низкой интенсивности света, - направив два лазерных луча навстречу друг другу. Поместив ион кальция в точку минимальной интенсивности, они смогли отбирать у него энергию движения и подавлять нежелательные взаимодействия, которые обычно вызывают нагрев.

Метод, названный охлаждением с электромагнитно-индуцированной прозрачностью, позволил примерно за 150 микросекунд приблизить целевую моду движения иона к квантовому основному состоянию. Для сравнения: обычная лазерная схема требует около 500 микросекунд. Кроме того, новая техника одновременно охлаждала все три измеренные моды движения иона в диапазоне частот около 5 мегагерц. Это важно, потому что ион может колебаться в трёх измерениях, и каждое направление может иметь свою частоту; традиционно для разных типов движения требуются отдельные операции охлаждения.

"Обычно сложно охладить все моды одним механизмом, - поясняет Син. - Но мы показали: если частоты не слишком далеки друг от друга, их можно эффективно охладить до основного состояния". Исследователи также продемонстрировали охлаждение ниже обычного доплеровского предела, экспериментально подтвердив давнее теоретическое предсказание.

Ключевая особенность работы - оптические компоненты встроены в чип, а не собраны из громоздких внешних лазеров. Чип доставляет свет нескольких длин волн, нужных для управления ионом; такой подход развивают многие группы, чтобы масштабировать системы до большего числа кубитов. Чипы были изготовлены коммерчески в Нидерландах в сотрудничестве с ETH Zurich, а упаковка и подготовка устройств проводились на объектах Корнелла, включая Корнеллскую наноразмерную научно-технологическую лабораторию.

Хотя эксперименты проводились с одним ионом, подход применим и к более крупным квантовым компьютерам на ионах в ловушке. По словам Мехты, главное значение работы в том, что она показывает: технологии, разрабатываемые для увеличения квантовых компьютеров, могут одновременно улучшать фундаментальные операции, на которых эти компьютеры держатся.

Источник: Phys.org