研究人員芝加哥大學已經開發了一種通過集成被困的新方法來增強量子信息系統原子帶有光子設備的陣列。
這項創新允許可擴展量子計算通過克服以前的技術不兼容來進行聯網。該設計具有半開放的芯片，可最大程度地減少干擾並增強原子連接性，並有望在較大量子系統的計算速度和互連性方面取得顯著進步。
合併技術來增強量子計算
量子信息系統比傳統計算機更快，更強大的計算能力承諾，為世界上一些最複雜的挑戰提供了潛在的解決方案。但是，實現這一潛力需要構建更大的，更相互聯繫的量子計算機 - 尚未完全實現的科學家。將這些系統擴展到更大的尺寸並將多個量子系統連接在一起仍然是一個重大挑戰。
芝加哥大學Pritzker分子工程學院（PME）的研究人員通過結合兩種先進技術：被困原子陣列和光子設備取得了突破。這種創新的方法可以通過使用光子學互連單個原子陣列來創建可擴展的量子系統，從而為量子計算，仿真和網絡中的進步鋪平了道路。
“我們合併了兩種技術，這些技術在過去彼此之間確實沒有太大關係，”分子工程助理教授兼新作品的高級作者漢尼斯·伯尼恩（Hannes Bernien）說。自然通訊。 “看到我們如何以這種方式擴展量子系統，不僅很有趣，而且還具有許多實際應用。”
將光子學與原子陣列集成的挑戰
被困在光學鑷子中的中性原子陣列（可以將原子固定到位的高度集中的激光束）成為構建量子處理器的一種越來越流行的方式。這些中性原子的網格，當以特定序列激發時，可以實現複雜的量子計算，該計算最多可擴展到數千噸。但是，它們的量子狀態是脆弱的，很容易被破壞 - 包括旨在以光子形式收集數據的光子設備。
“將原子陣列連接到光子設備非常具有挑戰性，因為技術的根本差異。原子陣列技術依賴於激光來創造和計算。” PME研究生，新作品的聯合第一作者Shankar Menon說。 “一旦將系統暴露於半導體或光子芯片中，激光會散佈，從而導致原子捕獲，檢測和計算的問題。”
量子計算的新的半開放芯片設計
在新作品中，伯尼安（Bernien）的小組開發了一種新的半開放芯片幾何形狀，使原子陣列與光子芯片進行交互，克服了這些挑戰。使用新平台，可以在計算區域中進行量子計算，然後將包含所需數據的原子的一小部分移至新的互連區域以進行光子芯片集成。
“我們有兩個獨立的區域，它們可以在它們之間移動，一個區域遠離光子芯片以進行計算，另一個可以在光子芯片附近互連，以互連多個原子陣列，” PME畢業生的共同第一位作者諾亞·格拉奇曼（Noah Glachman）解釋說。 “這種芯片的設計方式，與原子陣列的計算區域具有最小的相互作用。”
納米光腔的連通性和速度提高
在互連區域中，量子與微觀光子設備相互作用，該設備可以提取光子。然後，可以通過光纖傳輸到其他系統。最終，這意味著可以將許多原子陣列互連以形成比單個數組可能的更大的量子計算平台。
新系統的額外強度（可能會導致特別快速的計算能力）是，許多納米光腔可以同時連接到一個單個原子陣列。
梅農說：“我們可以一次擁有數百個腔，它們都可以同時傳輸量子信息。” “這導致可以在互連模塊之間共享信息的速度大大提高。”
未來的方向和研究
儘管團隊表現出捕獲原子並在區域之間移動原子的可行性，但他們正在計劃未來的研究，以研究過程中的其他步驟，包括從納米腔腔中收集光子，以及長距離的糾纏產生。
參考：Shankar G. Menon，Noah Glachman，Matteo Pompili，Alan Dibos和Hannes Bernien的Shankar G. Menon，Noah Glachman，Noah Glachman，Noah Glachman，Matteo noh annanes bernien，2024年7月22日，Shankar G. Menon，Noah Glachman，Matteo自然通訊。
二：10.1038/s41467-024-50355-4
