光學布線新技術：有望用於打造大型量子計算機

2020-10-24 環球創新智慧

導讀

據瑞士蘇黎世聯邦理工學院官網近日報導，該校研究人員演示了一項新技術，可以在原子上開展敏感的量子運算。在這項技術中，控制雷射直接在晶片內部傳送，從有望打造基於囚禁離子的大規模量子計算機。

背景

在我們作報告時，用雷射筆照射屏幕上的一個特定的點，並不是一件容易的事。即便是最細微的緊張顫抖，都會在遠處形成一個巨大的塗鴉。現在，讓我們想像一下，如果必須用幾隻雷射筆同時這麼做時，結果又會怎樣？

（圖片來源：維基百科）

這正是嘗試採用獨立的囚禁原子構造量子計算機的科學家們所面臨的問題。他們也需要在幾米之外精確地對準雷射束（同一個裝置上有幾百個甚至幾千個雷射束），使之可以照射到尺寸僅幾微米的含有原子的區域。任何多餘的顫動都會嚴重幹擾量子計算機的運作。

創新

近日，在瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich），喬納森·霍姆（Jonathan Home）及其在量子電子研究所的同事們演示了一種新方法，以一種穩定的方式，將多個雷射束準確地照射到晶片內適當的位置，甚至可以在原子上執行最細微的量子運算。

具有集成波導的離子阱晶片。雷射通過右邊的光纖被直接送入晶片中。（圖片來源：K. Metha / ETH Zurich）

這項研究最近發表在科學期刊《自然》（Nature）雜誌上。

技術

30多年來，打造量子計算機一直是物理學家們的一個宏偉目標。結果，囚禁在電場中的帶電原子（離子）成為了量子位的理想候選方案，而量子計算機正是使用量子位來進行計算的。目前為止，通過這種方式，我們可以實現含有12個左右量子位的小型計算機。

(圖片來源: S. Debnath and E. Edwards/聯合量子研究所）

霍姆實驗室的博士後研究員、這項研究的第一作者卡蘭·梅塔（Karan Mehta）表示：「然而，如果你想要打造含有幾千個量子位的量子計算機，那麼目前的實現方案會面臨一些重大障礙，但是這種量子計算機對於實際相關應用來說很可能是必需的。」從根本上說，問題在於，如何跨越幾米的距離，從一個雷射器向一個真空裝置發送雷射束，並最終擊中低溫恆溫器中的靶心。在低溫恆溫器內，離子阱被冷卻至絕對零度以上的幾度，從而最大限度地減小熱擾動。

梅塔解釋道：「在目前的小規模系統中，傳統光學器件已成為重要的噪音與錯誤來源，並且在設法擴大規模時，管理起來難度要大得多。」量子位添加得越多，控制量子位所需的雷射束光學器件就會越複雜。霍姆研究小組的博士生張弛（音譯：Chi Zhang）補充道：「我們的方案正是來源於此。通過將微型波導集成到含有電極（用於囚禁離子）的晶片中，我們可以直接向這些離子發射光線。通過這種方式，低溫恆溫器或者裝置的其他部件顫動所造成的擾動會小得多。」

研究人員委託一家專門負責生產晶片的廠家來製造這種晶片，晶片含有離子阱所需的金電極，以及在更深層中的雷射波導。在晶片的一端，光纖將光線送入僅100納米厚的波導中，在晶片中有效地形成光學布線。這些波導中的每一個都通向晶片中一個特定的點，光線最終在那裡轉向表面上的囚禁離子。

下圖所示：具有集成波導的離子阱。控制兩個囚禁離子（藍色）的雷射（紅色）被送入晶片中的離子阱。

（圖片來源：Chiara Decaroli / ETH Zurich）

幾年前，目前這項研究的幾位作者和美國麻省理工學院（MIT）以及麻省理工學院林肯實驗室一起開展的一項研究工作已經證明，這個方案原則上可行。現在，蘇黎世聯邦理工學院的研究小組將這項技術發展和完善到一個程度，使之可用於實現不同原子之間的低誤差量子邏輯門，這是打造量子計算機的重要前提。

在傳統計算機晶片中，邏輯門用於執行邏輯運算，例如與（AND）或者或非（NOR）。為了打造量子計算機，我們必須保證可以在量子位上執行這樣的邏輯運算。這麼做存在的問題就是，作用於兩個甚至更多量子位的邏輯門對於擾動特別敏感。這是由於它們創造出來的量子力學狀態是脆弱的，在這種狀態下，兩個離子同時處於疊加態，也稱為糾纏的狀態。

下圖所示：ETH 研究人員的新型晶片的橫截面圖。金電極用於囚禁離子，而雷射被直接引導至光學層中的離子。

（圖片來源：Chiara Decaroli / ETH Zurich）

在這樣的一種疊加態中，兩個離子無需直接接觸，對一個離子進行測量會影響到另一個離子的測量結果。這些疊加態製造得有多好，那麼這些邏輯門工作得就有多好，這些都是通過所謂的「保真度」來表達的。作為博士生參與這個實驗的馬切伊·馬林諾夫斯基（Maciej Malinowski）表示：「通過這個新型晶片，我們可以實現兩個量子位的邏輯門，並使用它們製造出糾纏狀態。迄今為止，這種保真度只在最佳的傳統實驗中實現過。」

因此研究人員表示，他們的方案對於未來離子阱量子計算機來說非常有意義，因為它不僅極度穩定而且可擴展。他們目前正在研究不同的晶片，打算一次可以控制多達10個量子位。此外，他們正在研究新的設計，通過光學布線來實現快速精準的量子運算。

關鍵詞

量子、離子、邏輯、晶片、光學

參考資料

【1】Karan K. Mehta, Chi Zhang, Maciej Malinowski, Thanh-Long Nguyen, Martin Stadler, Jonathan P. Home. Integrated optical multi-ion quantum logic. Nature, 2020; 586 (7830): 533 DOI: 10.1038/s41586-020-2823-6

【2】https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/10/optische-verdrahtung-fuer-grosse-quantencomputer.html

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