Разработан быстрый и энергоэффективный метод охлаждения захваченных ионов с помощью фотонных чипов

Существует множество типов квантовых систем, но это исследование посвящено квантовым вычислениям с использованием ионных ловушек. В этом случае заряженная частица, называемая ионом, образуется в результате отрыва электрона от атома, а затем удерживается с помощью радиочастотных сигналов и управляется с помощью оптических сигналов.

Исследователи используют лазеры для кодирования информации в захваченном ионе путём изменения его состояния. Таким образом, ион можно использовать в качестве квантового бита, или кубита. Кубиты — это строительные блоки квантового компьютера.

Чтобы предотвратить столкновения ионов с молекулами газа в воздухе, ионы удерживаются в вакууме, который часто создаётся с помощью устройства, известного как криостат. Традиционно громоздкие лазеры располагаются снаружи криостата и направляют различные световые лучи через окна криостата на чип. Для работы с несколькими десятками ионов таким системам требуется целая комната, заполненная оптическими компонентами, что затрудняет масштабирование до больших объёмов ионов, необходимых для современных квантовых вычислений. Незначительные вибрации снаружи криостата также могут нарушить работу световых лучей, что в конечном счёте снизит точность квантового компьютера.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи из Массачусетского технологического института разработали систему на основе интегрированной фотоники. В этой системе свет излучается тем же чипом, который удерживает ион. Это повышает масштабируемость за счёт отсутствия необходимости во внешних оптических компонентах

Чтобы обеспечить быстрые и точные квантовые операции, исследователи используют оптические поля для снижения кинетической энергии захваченного иона. Это приводит к охлаждению иона почти до абсолютного нуля — эффективной температуры, которая даже ниже, чем в криостатах.

Но у обычных методов более высокий порог охлаждения, поэтому после завершения процесса охлаждения ион всё ещё обладает большим количеством колебательной энергии. Это затрудняет использование кубитов для высококачественных вычислений.

Исследователи из Массачусетского технологического института использовали более сложный подход, известный как поляризационно-градиентное охлаждение, который предполагает точное взаимодействие двух световых лучей.

Каждый луч света имеет свою поляризацию, то есть поле в каждом луче колеблется в разном направлении (вверх и вниз, из стороны в сторону и т. д.). Там, где эти лучи пересекаются, они образуют вращающийся световой вихрь, который может ещё эффективнее заставить ион прекратить колебания.

Хотя этот подход уже был продемонстрирован ранее с использованием объёмной оптики, он не применялся ранее в интегрированной фотонике.

Чтобы обеспечить такое более сложное взаимодействие, исследователи разработали чип с двумя наноразмерными антеннами, которые излучают световые лучи, чтобы управлять ионами над чипом.

Эти антенны соединены волноводами, по которым свет поступает к антеннам. Волноводы предназначены для стабилизации оптической маршрутизации, что повышает стабильность вихревой структуры, создаваемой лучами.

«Когда мы излучаем свет с помощью интегрированных антенн, он ведёт себя иначе, чем при использовании объёмной оптики. Лучи и генерируемые световые паттерны становятся чрезвычайно стабильными. Наличие таких стабильных паттернов позволяет нам изучать поведение ионов с гораздо большей точностью», — считают исследователи.

Исследователи также сконструировали антенны таким образом, чтобы максимально увеличить количество света, достигающего иона. Каждая антенна имеет крошечные изогнутые выемки, которые рассеивают свет вверх и расположены таким образом, чтобы направлять свет на ион.

Ученые экспериментировали с несколькими архитектурами, изучая каждую из них, чтобы лучше понять, как она излучает свет.

После доработки конструкции исследователи продемонстрировали ионное охлаждение, которое почти в 10 раз превосходит предел стандартного лазерного охлаждения, называемый доплеровским пределом. Их чип смог достичь этого предела примерно за 100 микросекунд, что в несколько раз быстрее, чем при использовании других методов.