کنترل دقیق کیوبیت با لیزر: جهش در پردازش اطلاعات کوانتومی قابل اعتماد

محققان موسسه محاسبات کوانتومی دانشگاه واترلو (IQC) یک تکنیک پیشگامانه را توسعه داده اند که از نور لیزر برای کنترل کیوبیت های منفرد ساخته شده از باریم با دقت بی سابقه ای استفاده می کند. این پیشرفت گام مهمی در جهت تحقق کامپیوترهای کوانتومی کاربردی در آینده است.

این تکنیک شامل استفاده از یک موجبر شیشه‌ای کوچک برای جدا کردن پرتوهای لیزر و تمرکز آنها بر روی کیوبیت‌ها است که هر پرتو لیزر متمرکز دقیقاً به‌طور موازی کنترل می‌شود. محققان به سطح قابل توجهی از کنترل دست یافتند و تداخل (مقدار نوری که روی یون‌های همسایه می‌افتد) را به شدت نسبی بسیار پایین 0.01 درصد محدود کردند. این سطح از دقت یکی از بهترین ها در جامعه محاسبات کوانتومی است.

آن‌ها عمدا از یون‌های باریم  استفاده کردند  چرا که باریم  حالت‌های انرژی مناسبی دارد که می‌توان آن‌ها را با استفاده از نور سبز مرئی دستکاری کرد، بر خلاف سایر انواع اتم‌ها که به نور فرابنفش با انرژی بالاتر نیاز دارند. این به محققان اجازه می‌دهد تا از فناوری‌های نوری تجاری در دسترس استفاده کنند که برای طول موج‌های فرابنفش قابل دسترسی نیستند.

تیم تحقیقاتی یک تراشه موجبر ایجاد کرد که یک پرتو لیزر را به 16 کانال مختلف نور تقسیم می‌کند. هر کانال به مدلاتورهای مبتنی بر فیبر نوری هدایت می‌شود که کنترل سریع را بر شدت، فرکانس و فاز هر پرتو لیزر امکان‌پذیر می‌سازد. سپس پرتوهای لیزر با استفاده از یک سری لنزهای نوری به فاصله تقریباً چهار میکرون متمرکز می شوند. محققان فوکوس و کنترل دقیق هر پرتو لیزر را با استفاده از حسگرهای دوربین تایید کردند.

این روش موجبر نوآورانه یک رویکرد ساده و بسیار دقیق برای کنترل کیوبیت های یون باریم ارائه می دهد. هدف نهایی محققان ساخت پردازنده های کوانتومی یون باریم با استفاده از سیستم های اتمی است. با دستیابی به کنترل مستقل و موازی بر وضعیت هر کیوبیت، محققان راه را برای رمزگذاری و پردازش داده‌های کوانتومی و همچنین اجرای شبیه‌سازی و محاسبات کوانتومی هموار می‌کنند.

سیستم آدرس دهی انفرادی نور هدایت شده که توسط محققان توسعه داده شده است چندین مزیت از جمله سرکوب انحرافاتی که می تواند در تنظیمات اپتیک فضای آزاد رخ دهد، ارائه می دهد. این سیستم یک تقابل (crosstalk)با شدت نسبی نزدیکترین همسایه قابل توجه در مرتبه ^4-10 را نشان می دهد، که قابل مقایسه یا بهتر از نمایش های قبلی آدرس دهی فردی است. علاوه بر این، رویکرد مدولار امکان کنترل مستقل و سریع بر دامنه، فرکانس و فاز هر کانال را فراهم می‌کند و نقاط قوت اجرای قبلی را ترکیب می‌کند.

به طور کلی، این پیشرفت در کنترل کیوبیت با استفاده از فناوری نور لیزر و موجبر نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در زمینه محاسبات کوانتومی است و ما را به تحقق کامپیوترهای کوانتومی کاربردی و قدرتمند نزدیک‌تر می‌کند.

منبع

A guided light system for agile individual addressing of Ba+ qubits with 10⁻⁴ level intensity crosstalk” by Ali Binai-Motlagh, Matthew L Day, Nikolay Videnov, Noah Greenberg, Crystal Senko and Rajibul Islam, 27 July 2023, Quantum Science and Technology.
DOI: 10.1088/2058-9565/ace6cb