Kuantum bilgisayarlar, en güçlü klasik süper bilgisayarların bile çözmesi on yıllar sürecek karmaşık problemleri hızla çözebilir. Ancak, işlemleri verimli bir şekilde gerçekleştirebilmeleri için yeterince büyük ve kararlı olmaları gerekecektir. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, MIT ve diğer yerlerdeki araştırmacılar, ultra kompakt fotonik çipler üzerine kurulu tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarları geliştiriyorlar. Bu çip tabanlı sistemler, hantal optik ekipmanlara dayanan mevcut tuzaklanmış iyon kuantum bilgisayarlarına ölçeklenebilir bir alternatif sunuyor.
Bu kuantum bilgisayarlardaki iyonların titreşimleri en aza indirmek ve hataları önlemek için son derece düşük sıcaklıklara soğutulması gerekir. Şimdiye kadar, fotonik çipler tabanlı bu tür hapsedilmiş iyon sistemleri, verimsiz ve yavaş soğutma yöntemleriyle sınırlı kalmıştır.
MIT ve MIT Lincoln Laboratuvarı'ndaki bir araştırma ekibi, fotonik çipler kullanarak hapsedilmiş iyonları soğutmak için çok daha hızlı ve enerji verimli bir yöntem geliştirdi. Yaklaşımları, standart lazer soğutmasının sınırının yaklaşık 10 kat altına kadar soğutma sağladı.
Bu tekniğin kilit noktası, birbirine sıkıca odaklanmış, kesişen ışık demetlerini yönlendirmek için hassas bir şekilde tasarlanmış antenler içeren bir fotonik çiptir.
Araştırmacıların ilk gösterimi, gelecekte daha yüksek verimlilik ve istikrara sahip kuantum hesaplama sistemlerini mümkün kılacak ölçeklenebilir çip tabanlı mimarilere doğru önemli bir adım teşkil ediyor.
“Polarizasyon çeşitliliğine sahip entegre fotonik cihazlar tasarlayabildik, bunları kullanarak çeşitli yeni entegre fotonik tabanlı sistemler geliştirdik ve çok verimli iyon soğutması gösterdik. Ancak bu, bu cihazları kullanarak yapabileceklerimizin sadece başlangıcı. Entegre fotonik tabanlı tuzaklanmış iyon sistemlerine polarizasyon çeşitliliğini getirerek, bu çalışma, daha önce ulaşılamayan, hatta verimli iyon soğutmasının ötesinde, tuzaklanmış iyonlar için çeşitli gelişmiş işlemlerin kapısını açıyor; bunların hepsi gelecekte keşfetmekten heyecan duyduğumuz araştırma yönleri,” diyor MIT Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri (EECS) Bölümü'nde Robert J. Shillman Kariyer Geliştirme Doçenti, Elektronik Araştırma Laboratuvarı üyesi ve bu mimari üzerine bir makalenin kıdemli yazarı Jelena Notaros.
Makalede kendisine, Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri (EECS) yüksek lisans öğrencisi Sabrina Corsetti; MIT Lincoln Laboratuvarı'nda kadrolu bilim insanı olan eski doktora sonrası araştırmacı Ethan Clements; Fizik Bölümü yüksek lisans öğrencisi Felix Knollmann; Lincoln Laboratuvarı'nda kıdemli teknik personel ve MIT Kuantum Mühendisliği Merkezi'nde baş araştırmacı olan John Chiaverini ve Lincoln Laboratuvarı ile MIT'den diğer araştırmacılar eşlik ediyor. Araştırma, bugün Light: Science and Applications ve Physical Review Letters dergilerinde ortak iki yayında yer alıyor.
Ölçeklenebilirlik arayışı
Birçok kuantum sistemi türü olmasına rağmen, bu araştırma tuzaklanmış iyon kuantum hesaplamasına odaklanmıştır. Bu uygulamada, bir atomdan bir elektron koparılarak iyon adı verilen yüklü bir parçacık oluşturulur, ardından radyo frekans sinyalleri kullanılarak yakalanır ve optik sinyaller kullanılarak manipüle edilir.
Araştırmacılar, yakalanan iyonun durumunu değiştirerek içine bilgi kodlamak için lazerler kullanıyorlar. Bu şekilde, iyon bir kuantum biti veya kübit olarak kullanılabilir. Kübitler, kuantum bilgisayarın yapı taşlarıdır.
İyonlar ve havadaki gaz molekülleri arasındaki çarpışmaları önlemek için iyonlar genellikle kriyostat adı verilen bir cihazla oluşturulan vakumda tutulur. Geleneksel olarak, hantal lazerler kriyostatın dışında bulunur ve kriyostatın pencerelerinden çipe doğru farklı ışık demetleri gönderir. Bu sistemler, yalnızca birkaç düzine iyonu hedeflemek için bir oda dolusu optik bileşen gerektirir; bu da gelişmiş kuantum hesaplama için gereken çok sayıda iyona ölçeklendirmeyi zorlaştırır. Kriyostatın dışındaki hafif titreşimler de ışık demetlerini bozabilir ve sonuç olarak kuantum bilgisayarın doğruluğunu azaltabilir.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için MIT araştırmacıları entegre fotonik tabanlı sistemler geliştiriyorlar. Bu durumda, ışık iyonu yakalayan aynı çipten yayılıyor. Bu, harici optik bileşenlere olan ihtiyacı ortadan kaldırarak ölçeklenebilirliği artırıyor.
Knollmann, "Artık tek bir çip üzerinde binlerce noktanın olabileceğini ve bunların hepsinin birçok iyonla arayüz oluşturarak ölçeklenebilir bir şekilde birlikte çalışabileceğini hayal edebiliyoruz" diyor.
Ancak bugüne kadar entegre fotonik tabanlı gösterimler sınırlı soğutma verimliliğine ulaşmıştır.
Sakinliklerini koruyorlar.
Hızlı ve doğru kuantum işlemlerini mümkün kılmak için araştırmacılar, hapsedilmiş iyonun kinetik enerjisini azaltmak amacıyla optik alanlar kullanıyorlar. Bu, iyonun neredeyse mutlak sıfıra kadar soğumasına neden oluyor; bu, kriyostatların bile ulaşabileceğinden daha düşük bir etkili sıcaklıktır.
Ancak yaygın yöntemlerin soğutma eşiği daha yüksektir, bu nedenle iyon soğutma işlemi tamamlandıktan sonra bile hala çok fazla titreşim enerjisine sahiptir. Bu da kübitlerin yüksek kaliteli hesaplamalar için kullanılmasını zorlaştırır.
MIT araştırmacıları, iki ışık demetinin hassas etkileşimini içeren polarizasyon gradyanlı soğutma olarak bilinen daha karmaşık bir yaklaşım kullandılar.
Her ışık demetinin farklı bir polarizasyonu vardır; bu da her demetteki alanın farklı bir yönde (yukarı ve aşağı, yanlara doğru vb.) salındığı anlamına gelir. Bu demetlerin kesiştiği yerlerde, iyonun titreşimini daha da etkili bir şekilde durdurmaya zorlayabilen dönen bir ışık girdabı oluştururlar.
Bu yaklaşım daha önce toplu optik kullanılarak gösterilmiş olsa da, entegre fotonik kullanılarak daha önce gösterilmemişti.
Bu daha karmaşık etkileşimi mümkün kılmak için araştırmacılar, çipin üzerinden ışık huzmeleri yayarak üzerindeki iyonu manipüle eden iki nanometre ölçekli antene sahip bir çip tasarladılar.
Bu antenler, ışığı antenlere yönlendiren dalga kılavuzlarıyla birbirine bağlanmıştır. Dalga kılavuzları, optik yönlendirmeyi stabilize etmek üzere tasarlanmıştır; bu da ışınlar tarafından oluşturulan girdap deseninin kararlılığını artırır.
Clements, “Entegre antenlerden ışık yaydığımızda, bu ışık, geleneksel optiklerden farklı davranır. Işınlar ve üretilen ışık desenleri son derece kararlı hale gelir. Bu kararlı desenlere sahip olmak, iyon davranışlarını çok daha fazla kontrolle incelememizi sağlar,” diyor.
Araştırmacılar ayrıca, iyonlara ulaşan ışık miktarını en üst düzeye çıkarmak için antenleri tasarladılar. Her antende, ışığı yukarı doğru dağıtan ve ışığı iyonlara doğru yönlendirecek şekilde doğru aralıklarla yerleştirilmiş küçük kavisli çentikler bulunur.
Corsetti, "Bu ızgaraları, ışığın farklı polarizasyonlarını yayacak şekilde tasarlamak için Lincoln Laboratuvarı'ndaki uzun yıllara dayanan geliştirme çalışmalarından yararlandık," diyor.
Çeşitli mimariler üzerinde deneyler yaptılar ve her birinin ışık yayma şeklini daha iyi anlamak için özelliklerini belirlediler.
Son tasarımlarını tamamlayan araştırmacılar, standart lazer soğutmasının sınırının (Doppler sınırı olarak da bilinir) neredeyse 10 kat altında iyon soğutması sağladılar. Çipleri, bu sınıra yaklaşık 100 mikrosaniyede ulaşabildi; bu da diğer tekniklerden birkaç kat daha hızlıydı.
Chiaverini, “İyon kapanı çipine entegre edilmiş optiklerin kullanılarak elde edilen gelişmiş performansın gösterimi, kuantum durum manipülasyonu için yeni yaklaşımlara olanak sağlayabilecek ve pratik kuantum bilgi işlemeye yönelik beklentileri artırabilecek daha fazla entegrasyonun temelini atıyor” diye ekliyor. “Bu ilerlemeyi başarmada kilit nokta, MIT kampüsü ve Lincoln grupları arasındaki enstitüler arası iş birliğiydi; bu, sonraki adımları atarken üzerine inşa edebileceğimiz bir model.”
Ekip, gelecekte farklı çip mimarileri üzerinde karakterizasyon deneyleri yapmayı ve çoklu iyonlarla polarizasyon gradyanlı soğutmayı göstermeyi planlıyor. Ayrıca, bu mimariyle üretebilecekleri kararlı ışık demetlerinden fayda sağlayabilecek diğer uygulamaları da araştırmayı umuyorlar.
Bu araştırmaya katkıda bulunan diğer yazarlar arasında Ashton Hattori (MIT), Zhaoyi Li (MIT), Milica Notaros (MIT), Reuel Swint (Lincoln Laboratuvarı), Tal Sneh (MIT), Patrick Callahan (Lincoln Laboratuvarı), May Kim (Lincoln Laboratuvarı), Aaron Leu (MIT), Gavin West (MIT), Dave Kharas (Lincoln Laboratuvarı), Thomas Mahony (Lincoln Laboratuvarı), Colin Bruzewicz (Lincoln Laboratuvarı), Cheryl Sorace-Agaskar (Lincoln Laboratuvarı), Robert McConnell (Lincoln Laboratuvarı) ve Isaac Chuang (MIT) yer almaktadır.
Bu çalışma kısmen ABD Enerji Bakanlığı, ABD Ulusal Bilim Vakfı, MIT Kuantum Mühendisliği Merkezi, ABD Savunma Bakanlığı, MIT Rolf G. Locher Bağışlı Bursu ve MIT Frederick ve Barbara Cronin Bursu tarafından finanse edilmiştir.
