Physiker machen Sprünge beim Auslesen von Qubits mit Laserlicht

Qubits sind ein grundlegender Baustein für Quantencomputer, aber sie sind auch notorisch zerbrechlich – schwierig zu beobachten, ohne dabei ihre Informationen zu löschen. Jetzt könnten neue Forschungsergebnisse der University of Colorado Boulder und des National Institute of Standards and Technology (NIST) einen Sprung nach vorne für den Umgang mit Qubits mit leichter Berührung bedeuten.

In der Studie demonstrierte ein Team von Physikern, dass es die Signale eines Qubit-Typs, der als supraleitendes Qubit bezeichnet wird, mit Laserlicht auslesen kann, ohne dabei das Qubit zu zerstören.

Die Ergebnisse der Gruppe könnten ein wichtiger Schritt zum Aufbau eines Quanteninternets sein, sagen die Forscher. Ein solches Netzwerk würde Dutzende oder sogar Hunderte von Quantenchips verbinden und es Ingenieuren ermöglichen, Probleme zu lösen, die selbst für die schnellsten Supercomputer von heute unerreichbar sind. Sie könnten theoretisch auch einen ähnlichen Satz von Tools verwenden, um unknackbare Codes über große Entfernungen zu senden.

Die Studie, die am 15. Juni in der Zeitschrift erscheinen wird Naturwurde von JILA geleitet, einem gemeinsamen Forschungsinstitut von CU Boulder und NIST.

„Derzeit gibt es keine Möglichkeit, Quantensignale zwischen entfernten supraleitenden Prozessoren zu senden, wie wir Signale zwischen zwei klassischen Computern senden“, sagte Robert Delaney, Hauptautor der Studie und ehemaliger Doktorand am JILA.

Delaney erklärte, dass die traditionellen Bits, die Ihren Laptop betreiben, ziemlich begrenzt sind: Sie können nur einen Wert von null oder eins annehmen, die Zahlen, die bis heute den meisten Computerprogrammen zugrunde liegen. Qubits hingegen können Nullen, Einsen sein oder durch eine Eigenschaft namens „Superposition“ gleichzeitig als Nullen und Einsen existieren.

Aber die Arbeit mit Qubits ist auch ein bisschen wie der Versuch, eine Schneeflocke mit der warmen Hand zu fangen. Selbst die kleinste Störung kann diese Überlagerung zusammenbrechen lassen, sodass sie wie normale Bits aussehen.

In der neuen Studie zeigten Delaney und seine Kollegen, dass sie diese Fragilität umgehen konnten. Das Team verwendet ein hauchdünnes Stück Silizium und Stickstoff, um das aus einem supraleitenden Qubit kommende Signal in sichtbares Licht umzuwandeln – die gleiche Art von Licht, das bereits digitale Signale von Stadt zu Stadt durch Glasfaserkabel überträgt.

„Forscher haben Experimente durchgeführt, um optisches Licht aus einem Qubit zu extrahieren, aber das Qubit dabei nicht zu stören, ist eine Herausforderung“, sagte die Co-Autorin der Studie, Cindy Regal, JILA-Stipendiatin und außerordentliche Professorin für Physik an der CU Boulder.

Quantensprung

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, ein Qubit zu erstellen, fügte sie hinzu.

Einige Wissenschaftler haben Qubits zusammengesetzt, indem sie ein Atom in Laserlicht eingefangen haben. Andere haben damit experimentiert, Qubits in Diamanten und andere Kristalle einzubetten. Unternehmen wie IBM und Google haben damit begonnen, Quantencomputerchips mit Qubits aus Supraleitern zu entwickeln.

Supraleiter sind Materialien, die Elektronen ohne Widerstand umkreisen können. Unter den richtigen Umständen senden Supraleiter Quantensignale in Form winziger Lichtteilchen oder „Photonen“ aus, die mit Mikrowellenfrequenzen schwingen.

Und hier fängt das Problem an, sagte Delaney.

Um diese Art von Quantensignalen über große Entfernungen zu senden, müssten Forscher zunächst Mikrowellenphotonen in sichtbares Licht oder optische Photonen umwandeln, die relativ sicher durch Glasfaserkabelnetze durch die Stadt oder sogar zwischen Städten sausen können. Aber wenn es um Quantencomputer geht, ist es schwierig, diese Transformation zu erreichen, sagte der Co-Autor der Studie, Konrad Lehnert.

Das liegt zum Teil daran, dass Laserlicht eines der wichtigsten Werkzeuge ist, um Mikrowellenphotonen in optische Photonen umzuwandeln, und Laser die Nemesis supraleitender Qubits sind. Wenn auch nur ein Streuphoton von einem Laserstrahl auf Ihr Qubit trifft, wird es vollständig gelöscht.

„Die Zerbrechlichkeit von Qubits und die wesentliche Inkompatibilität zwischen Supraleitern und Laserlicht verhindert normalerweise diese Art des Auslesens“, sagte Lehnert, ein NIST- und JILA-Stipendiat.

Geheime Codes

Um dieses Hindernis zu umgehen, wandte sich das Team an einen Vermittler: ein dünnes Stück Material, das als elektrooptischer Wandler bezeichnet wird.

Delaney erklärte, dass das Team damit beginnt, diesen Wafer, der zu klein ist, um ihn ohne Mikroskop zu sehen, mit Laserlicht zu beleuchten. Wenn Mikrowellenphotonen von einem Qubit auf das Gerät treffen, wackelt es und spuckt mehr Photonen aus – aber diese schwingen jetzt mit einer völlig anderen Frequenz. Mikrowellenlicht geht hinein und sichtbares Licht kommt heraus

In der neuesten Studie haben die Forscher ihren Wandler mit einem echten supraleitenden Qubit getestet. Sie entdeckten, dass das dünne Material diesen Switcheroo erreichen und gleichzeitig diese Todfeinde, Qubits und Laser, effektiv voneinander isolieren konnte. Mit anderen Worten, keines der Photonen aus dem Laserlicht leckte zurück, um den Supraleiter zu stören.

„Unser elektrooptischer Wandler hat keinen großen Einfluss auf das Qubit“, sagte Delaney.

Das Team ist noch nicht an dem Punkt angelangt, an dem es tatsächliche Quanteninformationen durch seinen Wandler übertragen kann. Unter anderem ist das Gerät noch nicht besonders effizient. Im Durchschnitt sind etwa 500 Mikrowellenphotonen erforderlich, um ein einzelnes sichtbares Lichtphoton zu erzeugen.

Die Forscher arbeiten derzeit daran, diese Rate zu verbessern. Sobald sie dies tun, können sich im Quantenbereich neue Möglichkeiten ergeben. Wissenschaftler könnten theoretisch ähnliche Werkzeuge verwenden, um Quantensignale über Kabel zu senden, die ihre Informationen automatisch löschen würden, wenn jemand versucht, mitzuhören.

Mit anderen Worten, Mission Impossible wurde Wirklichkeit, und das alles dank des sensiblen Qubits.