Новый подход к проектированию схем открывает путь к квантовым компьютерам следующего уровня

Квантовые вычисления представляют собой потенциально прорывную технологию, которая может значительно превзойти технические ограничения современных вычислительных систем для решения определённых задач. Однако создание практичных, крупномасштабных квантовых компьютеров остаётся сложной задачей, во многом из-за сложных и деликатных используемых методов.

В некоторых квантовых вычислительных системах одиночные ионы (заряженные атомы, такие как стронций) удерживаются в ловушках и подвергаются воздействию электромагнитных полей, включая лазерный свет, для создания определённых эффектов, используемых для выполнения вычислений. Такие схемы требуют подачи множества световых волн разной длины в разные позиции устройства, что означает необходимость точного расположения и доставки многочисленных лазерных лучей в заданную область. В таких случаях практические ограничения по размещению множества различных световых пучков в ограниченном пространстве становятся проблемой.

Чтобы решить эту задачу, исследователи из Университета Осаки изучили уникальные способы доставки света в ограниченном пространстве. Их работа привела к созданию энергоэффективной нанофотонной схемы с оптическими волокнами, подключёнными к волноводам для доставки шести различных лазерных лучей к их целям. Результаты были опубликованы в журнале APL Quantum.

«Масштабируемые, практичные методы конфигурации фотонных схем, связанных с квантовыми компьютерами на захваченных ионах для доставки лазерного света, ещё не разработаны, — говорит автор работы Альто Осада. — Чтобы преодолеть эту проблему, мы хотели создать эффективный метод, учитывающий все зоны захвата в ионной ловушке».

В рамках исследования волноводы пришлось разделять и творчески перераспределять внутри схемы для передачи различных лазерных лучей в правильные места. Конструкции также должны были учитывать возможность независимого включения и выключения лазерных лучей, обеспечивая при этом максимально возможную энергоэффективность.

Получившиеся узоры волноводов напоминают сложные, завораживающие гобелены, поскольку лазерные лучи пересекаются друг с другом и проходят через схемы.

«Наша работа показывает, что этот подход может обеспечить работу нескольких сотен кубитов на одном чипе», — отмечает Осада.

Кубиты — это базовые единицы квантовых вычислений, на которых работают квантовые алгоритмы для решения реальных задач.

Исследователи использовали два подхода к формированию узоров, названные «пузырьковой сортировкой» и «блочным дублированием». Оба паттерна оказались эффективными, и учёные предполагают, что выбор между ними будет зависеть от таких факторов, как количество требуемых лазерных лучей и потери в фотонных элементах. Исследование успешно продемонстрировало осуществимость и потенциал использования сложных паттернов волноводов в схемах для доставки световых пучков к захваченным ионам.

Эта работа имеет важные последствия: та же концепция может быть применена не только в квантовых вычислениях, но и при создании передовых оптических систем, представляя собой важный технологический прорыв с широким спектром применения.

Источник: University of Osaka