Quanteninformationssysteme bieten schnellere und leistungsfähigere Rechenmethoden als herkömmliche Computer und können so bei der Lösung vieler der schwierigsten Probleme der Welt helfen. Um dieses ultimative Versprechen zu erfüllen, sind jedoch größere und besser vernetzte Quantencomputer erforderlich, als Wissenschaftler bisher gebaut haben. Die Skalierung von Quantensystemen auf größere Größen und die Verbindung mehrerer Systeme hat sich als Herausforderung erwiesen.
Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago haben nun entdeckt, wie sich zwei leistungsstarke Technologien – Atomarrays mit Fallen und photonische Geräte – kombinieren lassen, um fortschrittliche Systeme für Quantencomputer, Simulation und Vernetzung zu schaffen. Die neue Kombination ermöglicht die Konstruktion großer Quantensysteme, die sich leicht skalieren lassen, indem man Photonik nutzt, um einzelne Atomarrays miteinander zu verbinden.
„Wir haben zwei Technologien zusammengeführt, die in der Vergangenheit nicht viel miteinander zu tun hatten“, sagte Hannes Bernien, Assistenzprofessor für Molekulartechnik und leitender Autor der neuen Arbeit. veröffentlicht in Naturkommunikation. „Es ist nicht nur grundsätzlich interessant zu sehen, wie wir Quantensysteme auf diese Weise skalieren können, sondern es hat auch viele praktische Anwendungen.“
Anordnungen neutraler Atome, die in optischen Pinzetten gefangen sind – hochfokussierte Laserstrahlen, die die Atome an ihrem Platz halten –, erfreuen sich zunehmender Beliebtheit beim Bau von Quantenprozessoren. Werden diese Gitter aus neutralen Atomen in einer bestimmten Reihenfolge angeregt, ermöglichen sie komplexe Quantenberechnungen, die auf Tausende von Qubits hochskaliert werden können. Allerdings sind ihre Quantenzustände fragil und können leicht gestört werden – auch durch photonische Geräte, die ihre Daten in Form von Photonen sammeln wollen.
„Das Verbinden von Atomarrays mit photonischen Geräten war aufgrund der grundlegenden Unterschiede zwischen den Technologien eine große Herausforderung. Die Atomarray-Technologie ist für ihre Erzeugung und Berechnung auf Laser angewiesen“, sagte Shankar Menon, ein PME-Student und Co-Erstautor der neuen Arbeit. „Sobald man das System einem Halbleiter oder einem photonischen Chip aussetzt, werden die Laser gestreut, was Probleme beim Einfangen von Atomen, ihrer Erkennung und der Berechnung verursacht.“
In der neuen Arbeit entwickelte Berniens Gruppe eine neue halboffene Chipgeometrie, die es ermöglicht, Atomarrays mit photonischen Chips zu verbinden und so diese Herausforderungen zu überwinden. Mit der neuen Plattform können Quantenberechnungen in einem Berechnungsbereich durchgeführt werden, und dann wird ein kleiner Teil dieser Atome, die die gewünschten Daten enthalten, in einen neuen Verbindungsbereich für die Integration des photonischen Chips verschoben.
„Wir haben zwei getrennte Bereiche, zwischen denen sich die Atome bewegen können, einen weg vom Photonenchip für Berechnungen und einen anderen in der Nähe des Photonenchips für die Verbindung mehrerer Atomarrays“, erklärte Co-Erstautor Noah Glachman, ein PME-Student. „So wie dieser Chip konzipiert ist, hat er nur minimale Interaktion mit dem Berechnungsbereich des Atomarrays.“
Im Verbindungsbereich interagiert das Qubit mit einem mikroskopischen photonischen Gerät, das ein Photon extrahieren kann. Anschließend kann das Photon über Glasfasern an andere Systeme übertragen werden. Letztendlich bedeutet dies, dass viele Atomarrays miteinander verbunden werden könnten, um eine größere Quantencomputerplattform zu bilden, als dies mit einem einzelnen Array möglich ist.
Eine weitere Stärke des neuen Systems – die zu besonders schnellen Rechenleistungen führen könnte – besteht darin, dass viele nanophotonische Hohlräume gleichzeitig zu einem einzigen Atom-Array verbunden werden können.
„Wir können Hunderte dieser Hohlräume gleichzeitig haben und sie alle können gleichzeitig Quanteninformationen übertragen“, sagte Menon. „Dies führt zu einer massiven Steigerung der Geschwindigkeit, mit der Informationen zwischen miteinander verbundenen Modulen ausgetauscht werden können.“
Das Team konnte zwar zeigen, dass es möglich ist, ein Atom einzufangen und zwischen Regionen zu bewegen, plant jedoch künftige Studien, in denen weitere Schritte im Prozess untersucht werden, darunter das Sammeln der Photonen aus den nanophotonischen Hohlräumen und die Erzeugung einer Verschränkung über lange Distanzen.
Mehr Informationen:
Shankar G. Menon et al, Eine integrierte Atom-Array-Nanophotonen-Chip-Plattform mit hintergrundfreier Bildgebung, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50355-4