Sprzężenie kwantowe

Fizycy z Uniwersytetu w Tübingen jako pierwsi połączyli atomy i nadprzewodniki w kluczowym kroku do nowego sprzętu dla komputerów i sieci kwantowych.

Dzisiejsze technologie kwantowe zrewolucjonizują przetwarzanie informacji, komunikację i technologię czujników w nadchodzących dziesięcioleciach. Podstawowymi elementami konstrukcyjnymi przyszłych procesorów kwantowych są na przykład atomy, nadprzewodzące kwantowe układy elektroniczne i fotony. W ostatnich latach stało się jednak jasne, że żaden z tych elementów konstrukcyjnych nie jest w stanie spełnić wszystkich wymagań, takich jak odbieranie i przechowywanie sygnałów, ich przetwarzanie i przekazywanie.

Grupa badawcza z Instytutu Fizyki Uniwersytetu w Tübingen odniosła sukces w łączeniu magnetycznie przechowywanych atomów na chipie z nadprzewodnikowym rezonatorem mikrofalowym. Powiązanie tych dwóch elementów jest ważnym krokiem w kierunku budowy hybrydowego układu kwantowego atomów i nadprzewodników, który umożliwi dalszy rozwój procesorów kwantowych i sieci kwantowych. Badanie zostało opublikowane w najnowszym wydaniu Nature Communications.

Stany kwantowe umożliwiają szczególnie wydajne algorytmy, które znacznie przewyższają dotychczasowe konwencjonalne opcje. "Aby zastosować te nowe technologie w życiu codziennym, musimy opracować całkowicie nowe komponenty sprzętowe" - mówi Fortágh z zespołu badawczego. „Zamiast konwencjonalnych sygnałów używanych w dzisiejszej technologii - bitów - które mogą być tylko jedynką lub zerem, nowy sprzęt będzie musiał przetworzyć znacznie bardziej złożone stany".

"Możemy osiągnąć pełną funkcjonalność tylko dzięki połączeniu różnych bloków kwantowych" - wyjaśnia Fortágh. W ten sposób można wykonywać szybkie obliczenia za pomocą obwodów nadprzewodzących; jednak przechowywanie jest możliwe tylko w bardzo krótkich skalach czasowych. Neutralne atomy unoszące się nad powierzchnią chipa, ze względu na ich niską wytrzymałość na interakcje z otoczeniem, są idealne do przechowywania kwantowego i jako emiter fotonów do transmisji sygnału. Dlatego też naukowcy połączyli ze sobą dwa elementy: najmniejsze kwantowe bloki elektronowe natury - atomy - ze sztucznymi obwodami – nadprzewodzącymi rezonatorami mikrofalowymi.

"Korzystamy z funkcjonalności i zalet obu komponentów" - mówi główny autor badania, dr Helge Hattermann. "Połączenie dwóch nierównych układów kwantowych może umożliwić nam stworzenie prawdziwego procesora kwantowego".

Nowy system hybrydowy dla przyszłych procesorów kwantowych i ich sieci stanowi paralelę z dzisiejszą technologią, która jest również hybrydą: obliczenia wykonywane są przez obwody mikroelektroniczne, informacje są przechowywane na nośnikach magnetycznych, a dane są przesyłane za pośrednictwem światłowodów za pośrednictwem Internetu. "Przyszłe komputery kwantowe i ich sieci będą działać analogicznie, wymagając hybrydowego podejścia i interdyscyplinarnych badań i rozwoju dla pełnej funkcjonalności" - mówi Fortágh.

(KB)