Physiker erreichen vollständig optische Anzeige von supraleitenden Qubits

Qubits – die grundlegenden Einheiten von Quanteninformationen – den gesamten Tech -Sektor. Unter ihnen könnten supraleitende Qubits maßgeblich zum Aufbau eines groß angelegten Quantencomputers von Bedeutung sein, aber sie verlassen sich auf elektrische Signale und sind schwer zu skalieren.

In einem Durchbruch hat ein Team von Physikern am Institut für Wissenschaft und Technologie Österreich (ISTA) eine vollständig optische Anzeige von supraleitenden Qubits erreicht, was die Technologie über ihre aktuellen Einschränkungen hinausgeht. Ihre Ergebnisse sind veröffentlicht In Naturphysik.

Nach einer einjährigen Rallye wurden Quantum Computing-Aktien kaum ein paar Tage in die Stillstand gebracht Internationales Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie. Der Grund für diesen plötzlichen Rückschlag war Jensen Huangs Keynote von Nvidia auf der CES 2025 -Tech -Handelsshow, wo er voraussagte, dass „sehr nützliche Quantencomputer“ noch zwei Jahrzehnte später waren.

Abgesehen von Aktienmärkten und Tech -Handelssendungen setzt sich das Rennen weiter zu skalierbaren Quantencomputern fort, die einige Berechnungen exponentiell schneller ausführen könnten als „klassische“ Computer. Während dieser vielversprechende „Quantenvorteil“ zur schnellen Entwicklung von Quantenhardware führte, müssen viele technische Hürden immer noch überwunden werden, bevor Quantencomputer „nützlich“ werden.

Jetzt hat ein Team von Physikern der Gruppe von Professor Johannes Fink am Institute of Science and Technology Österreich (ISTA) eine wichtige Einschränkung gelungen, die dazu beitragen könnte, Quantencomputer zu skalieren. Indem das Team die Qubits, die die Sprache der Glasfaser verstehen, verstanden, reduzierte das Team die Menge an kryogenen Hardware erheblich, um sie zu messen.

„Dieser neue Ansatz könnte es uns ermöglichen, die Anzahl der Qubits zu erhöhen, sodass sie für die Berechnung nützlich werden. Er bildet auch die Grundlage für den Aufbau eines Netzwerks von supraleitenden Quantencomputern, die über optische Fasern bei Raumtemperatur verbunden sind“, sagt der Co-First-Autor Georg Arnold. Ein ehemaliger Ph.D. Student in der Fink -Gruppe in ISTA.

Die Herausforderungen bei der Anwendung von Glasfaser auf supraleitende Quantenhardware

Während die Glasfaser die Telekommunikationsbranche mit mehreren Vorteilen gegenüber der elektrischen Übertragung revolutioniert und Hochgeschwindigkeitskommunikation ermöglicht hat, ist die Anwendung von Optiken auf Quantenhardware keine leichte Aufgabe. Superkonditionierende Quantencomputer, die spezielle physikalische Eigenschaften von Materialien bei Temperaturen in der Nähe von absolutem Null verwenden, stellen eine eigene Herausforderung dar.

Um supraleitende Qubits zu realisieren, werden winzige elektrische Schaltkreise auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt, bei denen sie den gesamten elektrischen Widerstand verlieren und somit einen fließenden Strom auf unbestimmte Zeit beibehalten können.

„Somit sind supraleitende Qubits per Definition elektrisch. Um sie herzustellen, müssen wir Temperaturen von nur wenigen Tausendstel über absolutes Null erreichen. Das ist noch kälter als der Raum“, sagt Arnold.

Elektrische Signale haben jedoch eine vergleichsweise niedrige Bandbreite, was bedeutet, dass sie nur wenige Informationen pro Zeiteinheit übertragen. Sie sind leicht von Rauschen überwältigt und sind auch anfällig für Informationsverlust. Außerdem löst die erforderliche Verkabelung viel Wärme ab. Daher erfordert die „Qubit -Anzeige“, dh Qubits, die ein elektrisches Signal senden, das sie widerspiegeln, eine kolossale kryogene Kühlung sowie aufwändige und teure elektrische Komponenten für die Filterung und Verstärkung.

Andererseits erheben Sie optische Signale mit höherer Energien-zum Beispiel bei Telekommunikationswellenlängen-in dünnen optischen Fasern mit winzigen Verlusten. Darüber hinaus haben sie eine erheblich niedrigere Wärmeabteilung und eine viel höhere Bandbreite. Wenn Sie sie verwenden, um die Grenzen der supraleitenden Quantenhardware zu überschreiten, wäre ideal, wenn nur die Qubits ihre Sprache verstehen würden.

„Übersetzen“ das optische Signal in die Qubits

Um eine vollständig optische Anzeige in supraleitender Quantenhardware zu erreichen, musste das Team einen Weg finden, um das optische Signal in die Qubits und zurück zu „übersetzen“.

„Im Idealfall würde man versuchen, alle elektrischen Signale loszuwerden, da die erforderliche Verkabelung viel Wärme in die Kühlkammern transportiert, wo die Qubits sind. Dies ist jedoch nicht möglich“, sagt Thomas Werner, ein pH. D. Student in der Fink -Gruppe in ISTA.

Die Forscher dachten daher, einen elektrooptischen Wandler zu verwenden, um das optische Signal in eine Mikrowellenfrequenz umzuwandeln-ein elektrisches Signal, das die Qubits verstehen können. In Reaktion darauf spiegeln die Qubits ein Mikrowellensignal wider, das der Wandler in Optik umwandelt.

Werner hebt die Delikatesse der Aufgabe hervor: „Wir haben gezeigt, dass wir Infrarotlicht in der Nähe der Qubits schicken können, ohne dass sie ihre Supraleitung verlieren.“ Durch die Verwendung des elektrooptischen Wandlers als Schalter konnte das Team die Qubits direkt an die Außenwelt anschließen.

Überwindung der Qubit -Barriere und anderer Vorteile

Um „nützliche“ Berechnung mit Quantencomputern, Tausenden oder sogar Millionen von Qubits durchzuführen, sind erforderlich. Die Infrastruktur hat jedoch Schwierigkeiten, Schritt zu halten, da die kryogenen Kühlanforderungen zur Erkennung und Messung unerschwinglich sind.

„Unsere Technologie kann die Wärmebelastung der Messung von superkonjunkten Qubits erheblich verringern. Dadurch können wir die Qubit -Barriere durchbrechen und die Anzahl der Qubits, die bei Quantum Computing verwendet werden können, skalieren“, sagt Arnold.

Durch das Erreichen einer vollständig optischen Auslese von supraleitenden Qubits konnten die Forscher auch die Einrichtung vieler seiner umständlichen elektrischen Komponenten befreien. Das elektrische Signal in herkömmlichen Auslesesystemen ist sehr fehleranfällig und erfordert eine groß angelegte Signalkorrektur unter Verwendung vieler technisch begrenzender und teurer elektrischer Komponenten, die auch auf kryogene Temperaturen abgekühlt werden müssen.

„Durch die Verwendung des elektrooptischen Wandlers, um die Qubits von der elektrischen Infrastruktur zu trennen, konnten wir alle verbleibenden Teile des Setups durch Optik ersetzen“, sagt Werner. Dies macht das System nicht nur robuster und effizienter, sondern reduziert auch seine Kosten.

Schnittstellen überschwerende Quantencomputer über Raumtemperaturverbindungen

Diese Technologie könnte dazu beitragen, die Anzahl der nutzbaren supraleitenden Qubits noch weiter zu erhöhen, indem Wissenschaftler mehrere Quantencomputer mit Licht mit der Schnittstelle übertragen können. Derzeit benötigen Quantencomputer sogenannte „Verdünnungskühlschränke“, um die Kühlung für das gesamte Messaufbau bereitzustellen, einschließlich aller erforderlichen Verbindungen zwischen Prozessormodulen.

„Diese Verdünnungskühlschränke haben aber auch praktische Einschränkungen und können nicht unendlich groß gemacht werden“, sagt Arnold. Der Raum- und Kühlungsbeschränkungen begrenzt wiederum die Anzahl der nutzbaren Qubits. Nach Angaben der Forscher könnte es jetzt jedoch möglicherweise zwei Qubits in zwei separaten Verdünnungskühlschränken unter Verwendung einer optischen Faser in Reichweite sein.

„Die Infrastruktur ist verfügbar, und jetzt haben wir die Technologie, mit der wir die ersten einfachen Quantencomputernetzwerke erstellen können“, sagt Arnold.

Die ISTA -Physiker haben einen signifikanten Meilenstein bei der Entwicklung von supraleitenden Quantenhardware erreicht, aber noch viel mehr zu tun.

„Die Leistung unseres Prototyps ist immer noch sehr begrenzt – insbesondere in Bezug auf die Menge an optischer Kraft, die benötigt und abgelöst wird. Dennoch dient es als ein Beweis für den Prinzip, dass eine vollständig optische Auslese von supraleitenden Qubits sogar möglich ist. Es wird das sein. Die Rolle der Branche, die Technik weiter voranzutreiben. „