Новые лазерные компоненты позволяют уменьшить размер квантовых компьютеров до уровня чипа 

Новые лазерные компоненты позволяют уменьшить размер квантовых компьютеров до уровня чипа

Современные передовые технологии квантовых вычислений сталкиваются с серьезными проблемами в области масштабируемости и портативности: существующие системы остаются громоздкими из-за массивных оптических компонентов и жестких требований к условиям окружающей среды. Для решения этой задачи ученые из Массачусетского университета в Амхерсте (UMass Amherst) и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) успешно продемонстрировали ключевые компоненты — лазеры и ионные ловушки, — необходимые для кардинального уменьшения физических размеров квантовых компьютеров. Это достижение перекликается с траекторией миниатюризации интегральных микропроцессоров в период с 1970-х по 1990-е годы — процессом технологической интеграции, который превратил компьютеры из занимающих целую комнату гигантов в изящные смартфоны, которыми мы пользуемся сегодня.

В существующих квантовых системах самыми крупными и наиболее чувствительными компонентами являются оптические устройства. К ним относятся многочисленные лазеры, а также вакуумные камеры, внутри которых размещаются сверхстабильные оптические резонаторы, оснащенные системами виброизоляции и терморегулирования. Эти оптические резонаторы стабилизируют работу лазеров с исключительной точностью, тем самым обеспечивая возможность управления захваченными ионами, используемыми в квантовых вычислениях и оптических часах. Данное исследование открывает многообещающие перспективы для преодоления «узких мест» в масштабируемости, с которыми в настоящее время сталкиваются квантовые системы; результаты работы были опубликованы в научном журнале *Nature Communications*.

**Повторяя путь интеграции микропроцессоров для создания «квантовых систем на чипе»**

В своем исследовании ученые продемонстрировали критически важные компоненты для стабилизации лазеров, необходимые для создания интегрированной «системы на кристалле» (system-on-a-chip) для квантовых вычислений. Эта система обладает потенциалом для уменьшения габаритов аппаратной части квантовых компьютеров — с размеров целой комнаты до размеров чипа величиной с игральную карту. Это представляет собой поворотный шаг на пути к достижению масштабируемости в сфере квантовых вычислений, а также открывает возможности для создания портативных оптических часов, работающих на той же технологии ионных ловушек.

Роберт Ниффенеггер, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии, заявил: «Если мы хотим, чтобы квантовые технологии стали масштабируемыми или портативными, мы должны интегрировать лазерные системы непосредственно на чип. Это позволило бы нам разместить миллионы кубитов на одном чипе — задача, выполнение которой невозможно, пока мы остаемся зависимыми от помещений, заполненных лазерами и оптическим оборудованием. Чтобы достичь такого масштаба, мы должны повторить путь, пройденный традиционными компьютерами, которые обрели масштабируемость именно благодаря интеграции. Именно эту цель мы и преследуем». В квантовых компьютерах эти системы на основе захваченных ионов служат «кубитами». Их функция аналогична функции битов, используемых для хранения и обработки данных в традиционных вычислениях; однако они подчиняются законам квантовой физики, а не простым бинарным нулям и единицам. Оптические часы, в свою очередь, отсчитывают время, подсчитывая колебания видимого света, и используют атомные переходы в захваченных ионах для калибровки своей частоты. Тем самым они обеспечивают беспрецедентную точность для широкого спектра применений — таких как картирование гравитационного поля Земли с сантиметровой точностью, а также повышение эффективности навигации в дальнем космосе и работы систем GPS.

В сотрудничестве с группой исследователей под руководством профессора Дэниела Блюменталя из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре данная научная группа впервые продемонстрировала, что эти громоздкие прецизионные лазеры можно заменить компактными фотонными чипами. Они показали, как эту новую фотонную технологию можно использовать для управления захваченными ионами, обеспечивая тем самым выполнение как кубитных операций, так и функций отсчета времени.

Исследователи протестировали эффективность данной конструкции при выполнении критически важных квантовых операций, включая подготовку квантовых состояний кубитов. Результаты свидетельствуют о том, что система уже способна обеспечивать высокую точность подготовки и измерения квантовых состояний, необходимую для квантовых вычислений; более того, последующие усовершенствования открывают многообещающие перспективы для ее применения в области квантовой сенсорики.

Ниффенеггер добавил: «Хотя нам пока не удалось достичь уровня производительности самых передовых оптических часов, наша первая попытка принесла весьма многообещающие результаты, за которыми последовали еще более значимые прорывы». Он отметил, что в долгосрочной перспективе эта конструкция представляет собой важнейший шаг на пути к созданию функциональных, масштабируемых квантовых компьютеров. Такие компьютеры были бы способны решать сложные задачи, которые в настоящее время лежат за пределами возможностей современных суперкомпьютеров, — например, взламывать алгоритмы шифрования, защищающие большую часть конфиденциальных данных в мире. По оценкам многих экспертов, для решения подобных задач потребуются миллионы кубитов.

Ниффенеггер также подчеркнул: «Чтобы создать действительно полезные устройства — такие, которые превзойдут возможности традиционных суперкомпьютеров, — мы должны опираться на интегрированные квантовые системы, реализованные на чипах. Мы не можем рассчитывать на работу с использованием лазеров и оптических компонентов, занимающих площадь целого футбольного поля; это просто нереалистично. Интеграция — единственный жизнеспособный путь развития». **Преодолевая пространственные барьеры: делаем сверхточные оптические часы портативными**

Ниффенеггер полагает, что в ближайшей перспективе эта новая технология открывает уникальные возможности для дальнейшей миниатюризации и повышения портативности оптических часов. Благодаря интеграции лазеров и оптических резонаторов на едином фотонном чипе оптические часы становятся более компактными и устойчивыми к внешним воздействиям, что позволяет использовать их в средах, ранее недоступных для подобных устройств, — например, в глубоком космосе. «Это, по сути, единственный способ отправить прецизионные оптические часы в космос, — говорит Ниффенеггер. — Кроме того, это откроет новые возможности для проверки фундаментальных законов физики». Он предлагает разместить оптические часы на эллиптической орбите вокруг Солнца, чтобы отследить возможные изменения их показаний на различных расстояниях и тем самым проверить значения ряда фундаментальных физических констант. Он добавляет: «На данный момент наша система отличается повышенной компактностью и устойчивостью к вибрациям; уже сейчас это самые высокоэффективные оптические часы из всех, что функционируют в космосе».

**Решение проблемы стабильности в условиях интеграции на миниатюрных чипах**

В сфере микроэлектроники задача обеспечения стабильности интегрированных систем заключается в том, чтобы поддерживать устойчивость работы лазера, не прибегая к использованию громоздких систем виброизоляции, которые обычно требуются для традиционных оптических резонаторов. «В случае с этим чипом мы не можем позволить себе роскошь использования подобных систем — таков был изначальный замысел, — поясняет Ниффенеггер. — Если мы позиционируем это решение как портативное и интегрированное, оно должно быть предельно надежным и устойчивым. И хотя оно по-прежнему требует контроля температуры, для его работы уже не нужна вакуумная среда». С этой целью исследователи разработали метод активной компенсации дрейфа, органично встроив процесс калибровки непосредственно в процедуру проведения эксперимента. Более того, по его словам, этот процесс напоминает попытку укротить быка: показания часов постоянно «дрейфуют» (смещаются), а вы пытаетесь жестко зафиксировать их с помощью сверхточных атомных часов — и задача состоит не просто в том, чтобы «поймать» сигнал, но и в том, чтобы удерживать его под контролем, даже когда он пытается «ускользнуть». Следующая цель исследовательской группы — достичь полной интеграции всех компонентов: объединить на одном чипе ионную ловушку, лазер, оптический резонатор и другие фотонные элементы. «Теперь, когда мы наглядно продемонстрировали принципиальную возможность выполнения прецизионных квантовых операций с использованием интегрированной фотоники, — заявляет Ниффенеггер, — наш следующий шаг — объединить все эти компоненты в единую квантовую систему, реализованную на одном чипе».