Mikroskopijne urządzenie o wielkiej mocy
Zespół naukowców z University of Colorado at Boulder oraz Sandia National Laboratories opracował nowy typ optycznego modulatora fazy – miniaturowego elementu, który pozwala sterować światłem laserowym z niezwykłą precyzją. Wyniki opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications pokazują, że urządzenie to może odegrać kluczową rolę w budowie przyszłych komputerów kwantowych. Ponieważ komputery kwantowe działające na uwięzionych atomach lub jonach „rozmawiają” ze swoimi kubitami właśnie za pomocą laserów.
Dlaczego lasery są tak ważne w komputerach kwantowych?
W wielu obiecujących architekturach kwantowych informacja zapisana jest w pojedynczych atomach. Aby wykonać obliczenia, naukowcy muszą precyzyjnie sterować ich stanami – a robią to przy pomocy wiązek laserowych o ściśle kontrolowanej częstotliwości.
Problem polega na tym, że każda częstotliwość musi być dostrojona z dokładnością do ułamków miliardowych, dla dużych systemów potrzeba ogromnej liczby takich kanałów optycznych. Obecnie używane urządzenia są duże, energochłonne i zupełnie nienadają się do masowej skali. Nowy chip rozwiązuje wszystkie te problemy jednocześnie.
Mniej energii, więcej możliwości
Opracowany modulator wykorzystuje drgania mikrofalowe, które oscylują miliardy razy na sekundę. Dzięki nim możliwa jest bardzo wydajna modulacja fazy światła laserowego, co pozwala generować nowe, stabilne częstotliwości.
Najważniejsze zalety nowego rozwiązania polegają na tym, że zużywa nawet 80 razy mniej energii niż typowe komercyjne modulatory, generuje znacznie mniej ciepła, umożliwia upakowanie wielu kanałów optycznych bardzo blisko siebie oraz może działać jako element zintegrowanego układu scalonego. To ogromny krok w stronę komputerów kwantowych, które nie będą zajmować hal pełnych stołów optycznych, lecz zmieszczą się w kilku kompaktowych modułach.
Fotoniczny odpowiednik rewolucji tranzystorowej
Jednym z najbardziej przełomowych aspektów projektu jest sposób jego produkcji. Urządzenie zostało wytworzone w technologii CMOS – tej samej, która stoi za masową produkcją procesorów do komputerów, smartfonów czy samochodów.
Oznacza to, że w przyszłości możliwe będzie seryjne wytwarzanie tysięcy lub milionów identycznych układów. Badacze porównują to do przejścia od lamp próżniowych do tranzystorów – momentu, który zapoczątkował nowoczesną elektronikę. Tym razem podobna rewolucja może czekać optykę i fotonikę kwantową.
Kolejnym krokiem są testy tych rozwiązań w działających komputerach kwantowych opartych na atomach i jonach, we współpracy z firmami z branży kwantowej.
Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, ten niepozorny, mikroskopijny chip może okazać się jednym z ostatnich brakujących elementów potrzebnych do stworzenia naprawdę skalowalnych komputerów kwantowych – maszyn, które zmienią oblicze nauki, technologii i przemysłu.
Źródło: University of Colorado at Boulder
