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2018
04-18

原型芯片可以帮助实现量子计算


量子计算机很大程度上是假设的设备,可以执行一些计算比传统的计算机可以更快。量子计算机不是可以代表0或1的经典计算位,而是由量子比特或量子比特构成的,在某种意义上,量子比特可以同时代表0和1。

尽管在实验室中已经展示了多达12个量子位的量子系统,但是构建足够复杂的量子计算机以执行有用的计算将需要小型化量子位技术,许多晶体管的小型化使得现代计算机成为可能。

被困离子可能是最广泛研究的量子位技术,但他们历史上需要一个大而复杂的硬件设备。在今天的自然纳米技术,麻省理工学院和麻省理工学院林肯实验室的研究人员向实际量子计算机报告了一个重要的一步,一篇论文描述了一个原型芯片,可以捕获电场中的离子,并与内置光学,他们每个人。

“如果你看传统的组装,它是一个桶里面有一个真空,里面是这个笼子,它是捕捉离子。然后,基本上有一个整个的外部光学实验室,将激光束引导到离子组装。“麻省理工学院电气工程教授Rajeev Ram说。 “我们的目标是把这个外部的实验室,并将其大部分小型化到一个芯片上。”

笼子里

林肯实验室的量子信息和综合纳米系统小组已经在研究开发更简单,更小的离子阱被称为表面陷阱。一个标准的离子阱看起来像一个小笼子,它们的杆是产生电场的电极。笼子中间的离子排列,平行于酒吧。相比之下,表面陷阱是在其表面嵌入电极的芯片。离子悬浮在电极上方50微米处。

笼式捕集器的尺寸本质上是有限的,但是表面捕集器原则上可以无限延长。以目前的技术,他们仍然必须在真空室内,但是会让更多的量子比赛被塞进内部。

Jeremy Sage说:“我们相信表面陷阱是使这些系统能够扩展到大规模量子计算所需要的大量离子的关键技术,”与John Chiaverini一起带领林肯实验室陷入困境的Jeremy Sage说。量子信息处理项目。 “这些笼子的陷阱工作得很好,但它们真的只能工作10到20个离子,而且它们基本上在那里最大。”

然而,执行量子计算需要精确地控制每个量子位的能量状态,囚禁离子量子位由激光束控制。在表面陷阱中,离子仅相隔约5微米。在不影响邻居的情况下用外部激光照射一个离子是非常困难的。以前只有少数团体尝试过这种技术,而他们的技术对于大型系统来说并不实用。

机载设备

这就是Ram集团的目标。Ram和Karan Mehta是麻省理工学院电机工程专业的研究生,也是新论文的第一作者,他设计和制造了一套片上光学元件,个别离子。 Sage,Chiaverini和他们的林肯实验室的同事Colin Bruzewicz和Robert McConnell重新调整了他们的表面陷阱,以适应集成光学系统而不损害其性能。两个小组一起设计并执行了实验来测试新系统。

Ram表示:“通常情况下,对于表面电极陷阱,激光束来自光学平台并进入这个系统,所以总是有这个关于光束振动或移动的问题。”Ram说。 “通过光子集成,您不用担心光束稳定性问题,因为它们都与电极在同一芯片上。所以现在一切都是相互对立的,而且是稳定的。“

The 研究人员的新芯片建立在石英基板上。在石英的顶部是氮化硅“波导”的网络,其将激光穿过芯片。波导上方是一层玻璃,最上面是铌电极。在电极孔之下,波导分裂成一系列连续的脊,一个“衍射光栅”被精确地设计成通过这些孔引导光线,并将其聚集成足够窄的光束,以便靶向50微米以上的单个离子芯片的表面。

展望

研究人员利用原型芯片评估了衍射光栅和离子阱的性能,但没有任何机制来改变传递给每个离子的光量。在正在进行的工作中,研究人员正在研究将光调制器添加到衍射光栅中,以便不同的量子位可以同时接收不同的时变强度的光。这将使编程量子比特效率更高,这在实际的量子信息系统中是至关重要的,因为系统可以执行的量子操作的数量受到量子比特的“相干时间”的限制。