QUBITS – De grundlæggende enheder med kvanteinformation – drive hele teknologiske sektorer. Blandt dem kunne superledende qubits være medvirkende til at bygge en storskala kvantecomputer, men de er afhængige af elektriske signaler og er vanskelige at skalere.
I et gennembrud har et team af fysikere ved Institute of Science and Technology Østrig (ISTA) opnået en fuldt optisk aflæsning af superledende qubits, der skubber teknologien ud over dens nuværende begrænsninger. Deres fund offentliggøres i Naturfysik.
Efter en årelang rally blev kvanteberegningsbestande bragt til stilstand knap et par dage ind i det internationale år for kvantevidenskab og teknologi. Årsagen til dette pludselige tilbageslag var Nvidia CEO Jensen Huangs hovedtaler på CES 2025 Tech Trade Show, hvor han forudsagde, at “meget nyttige kvantecomputere” stadig var to årtier nede ad vejen.
Bortset fra aktiemarkeder og tech messer fortsætter løbet hårdt mod skalerbare kvantecomputere, der kunne udføre nogle beregninger eksponentielt hurtigere end “klassiske” computere. Selvom denne lovende “kvantefordel” resulterede i den hurtige udvikling af kvantehardware, skal mange tekniske forhindringer stadig overvindes, før kvantecomputere bliver “nyttige.”
Nu har et team af fysikere fra professor Johannes Finks gruppe ved Institute of Science and Technology Østrig (ISTA) formået at overvinde en vigtig begrænsning, hvilket kan hjælpe med at opskalere kvantecomputere. Ved at sikre, at qubits forstår sproget for fiberoptik, reducerede teamet betydeligt mængden af kryogen hardware, der er nødvendig for at måle dem.
“Denne nye tilgang giver os muligvis mulighed for at øge antallet af qubits, så de bliver nyttige til beregning. Den lægger også grundlaget for at opbygge et netværk af superledende kvantecomputere, der er forbundet via optiske fibre ved stuetemperatur,” siger co-første forfatter Georg Arnold, En tidligere ph.d. studerende i Fink -gruppen i Ista.
Udfordringerne ved at anvende fiberoptik på superledende kvantehardware
Mens Fiberoptics har revolutioneret telekomindustrien med deres flere fordele i forhold til elektrisk transmission og aktiveret højhastighedskommunikation, er det ingen let opgave at anvende optik til kvantehardware. Superledende kvantecomputere, der bruger specielle fysiske egenskaber ved materialer ved temperaturer nær Absolute Zero, giver deres egen udfordring.
For at realisere superledende qubits afkøles små elektriske kredsløb til ekstremt lave temperaturer, hvor de mister al elektrisk modstand og kan således opretholde en strømmende strøm på ubestemt tid.
“Således er superledende qubits elektriske pr. Definition. For at gøre dem skal vi nå temperaturer på kun et par tusinde af en grad over absolut nul. Det er endnu koldere end rummet,” siger Arnold.
Elektriske signaler har imidlertid en sammenlignelig lav båndbredde, hvilket betyder, at de transmitterer lidt information pr. Tidsenhed. De er let overvældet af støj, og de er også tilbøjelige til tab af information. Den krævede ledning spreder også masser af varme. Således kræver “Qubit -aflæsningen”, dvs. detektering og måling af qubits ved at sende et elektrisk signal, som de reflekterer, kolossal kryogen afkøling såvel som detaljerede og dyre elektriske komponenter til filtrering og amplifikation.
På den anden side propagerer optiske signaler med højere energi-for eksempel ved telekombølgelængder-i tynde optiske fibre med minuscule tab. Derudover har de en betydeligt lavere varmeafledning og meget højere båndbredde. Så at bruge dem til at skubbe grænserne for superledende kvantehardware ville være ideel, hvis kun qubits ville forstå deres sprog.
‘Oversættelse’ det optiske signal til qubits
For at opnå en fuldt optisk aflæsning i superledende kvantehardware, var teamet nødt til at finde en måde at ‘oversætte’ det optiske signal til qubits og tilbage.
“Ideelt set ville man forsøge at slippe af med alle elektriske signaler, da de krævede ledningsførende transporterer en masse varme ind i kølekamrene, hvor qubits er. Men dette er ikke muligt,” siger den første forfatter Thomas Werner, en pH. D. studerende i Fink -gruppen i Ista.
Så forskerne tænkte på at bruge en elektrooptisk transducer til at konvertere det optiske signal til en mikrobølgefrekvens-et elektrisk signal, som qubits kan forstå. Som svar afspejler qubits et mikrobølgesignal om, at transduceren konverterer til optik.
Werner fremhæver opgavens delikatesse, “Vi viste, at vi kan sende infrarødt lys tæt på qubits uden at få dem til at miste deres superledningsevne.” Brug af den elektrooptiske transducer som en switch gjorde det muligt for teamet at forbinde qubits direkte til omverdenen.
Overvinde qubit -barrieren og andre fordele
For at gøre ‘nyttige’ beregning med kvantecomputere er tusinder eller endda millioner af qubits nødvendige. Imidlertid har infrastrukturen svært ved at følge med, fordi kravene til kryogene afkøling til at opdage og måle dem er uoverkommelige.
“Vores teknologi kan reducere varmebelastningen ved at måle superkonduktive qubits betydeligt. Dette vil give os mulighed for at bryde qubit -barrieren og opskalere antallet af qubits, der kan bruges til kvanteberegning,” siger Arnold.
At opnå en fuldt optisk aflæsning af superledende qubits gjorde det også muligt for forskerne at befri opsætningen af mange af dens besværlige elektriske komponenter. Det elektriske signal i konventionelle aflæsningssystemer er meget fejlagtigt udsat, hvilket kræver storskala signalkorrektion ved hjælp af mange teknisk begrænsende og dyre elektriske komponenter, der også skal afkøles til kryogene temperaturer.
“Så ved at bruge den elektrooptiske transducer til at afbryde qubits fra den elektriske infrastruktur var vi i stand til at erstatte alle de resterende dele af opsætningen med optik,” siger Werner. Dette gør systemet ikke kun mere robust og effektivt, men reducerer også dets omkostninger.
Grænseflade superledende kvantecomputere via rumtemperaturlink
Denne teknologi kan hjælpe med at øge antallet af brugbare superledende qubits yderligere ved at give forskere mulighed for at interface flere kvantecomputere ved hjælp af lys. I øjeblikket har kvantecomputere brug for såkaldte “fortyndingskøleskabe” for at tilvejebringe afkøling til hele måleopsætningen, inklusive eventuelle påkrævede forbindelser mellem processormoduler.
“Men disse fortyndingskøleskabe har også praktiske begrænsninger og kan ikke gøres uendeligt store,” siger Arnold. Til gengæld begrænser rum- og kølebegrænsningerne antallet af anvendelige qubits. Men nu kan det ifølge forskerne at forbinde to qubits i to separate fortyndingskøleskabe ved hjælp af en optisk fiber inden for rækkevidde, ifølge forskerne.
“Infrastrukturen er tilgængelig, og nu har vi teknologien, der giver os mulighed for at opbygge de første enkle kvantecomputernetværk,” siger Arnold.
Ista -fysikerne har nået en betydelig milepæl i udviklingen af superledende kvantehardware, men meget mere skal gøres.
“Udførelsen af vores prototype er stadig ret begrænset – især med hensyn til mængden af den nødvendige optiske effekt og spredt. Ikke desto mindre tjener det som et bevis på princippet, at en fuldt optisk aflæsning af superledende qubits er endda muligt. Det vil være det Industriens rolle for at skubbe teknikken videre. “