Framsteg banar väg för kvantdatorer sammankopplade med ljus och ljud på ett chip

På flera håll i världen byggs kvantdatorer med beräkningskrafter som ökar kvantbit för kvantbit. WACQT:s kvantdator på Chalmers är idag uppe i 25 kvantbitar och ska på sikt bli 100. Men att växla upp kvantdatorer tar tid och stora resurser i anspråk, och det finns anledning att utforska andra tillvägagångssätt i utvecklandet av kraftfull kvantberäkning. Vid avdelningen för kvantteknologi på Chalmers pågår forskningsprojekt som undersöker möjligheten att i stället koppla samman kvantdatorer, för att på så vis bättre kunna tillgodogöra sig den totala beräkningskraften.

– Det är inte hållbart i längden att skala upp kvantdatorer inom en och samma kryostat. Genom att i stället koppla samman kvantdatorer med hjälp av ljus kan man åstadkomma en ökad processorkraft med flera mindre enheter som redan finns tillgängliga, säger Johan Kolvik, doktorand på avdelningen för kvantteknologi på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap.

Använder ljus för att komma runt brusproblematik

Att använda mikrovågor – som är de supraledande kvantbitarnas modersmål - för att överföra signaler mellan kvantdatorer kommer dock med ett välkänt problem. De känsliga kvantsignalerna drunknar och tillintetgörs i det termiska brus som uppstår i mikrovågsbaserad överföring i rumstemperatur. Kvantforskare har därför på senare år börjat utforska möjligheten att använda ljus som, med hög bandbredd och utan risk för brus, kan funka som informationsbärare mellan kvantdatorer, precis som i klassiska datacenter.

För att optiskt koppla samman kvantdatorer behövs länkar som överför kvantdatorns mikrovågssignaler till det optiska nätverket. Att använda akustik som mellanhand har visat sig vara en lovande lösning som ger tillräckligt hög bandbredd och låg energiförlust. Även om möjligheten att på optisk väg läsa av en kvantbit redan demonstrerats, klarar ännu inte dagens länkar att effektivt och dubbelriktat koppla samman kvantdatorer som befinner sig på längre avstånd från varandra. Ett centralt problem med en av dessa typer av länkar kretsar kring överhettning orsakad av optisk absorption i länkarna. När enhetens temperatur blir för hög måste överföringen pausas för att de ömtåliga kvantsignalerna inte ska försvinna, vilket drastiskt begränsar länkens kommunikationshastighet.

Unik design och rätt akustisk våglängd kan lösa problemet

Nu har ett forskarteam från Chalmers kommit ett steg närmre en lösning. I länkens centrum står en komponent i nanoskala, en så kallad optomekanisk kristall, som används i överföringsprocessen. I överföringen flödar ljus genom komponenten vars struktur behöver vibrera för att det ska uppstå en koppling mellan ljus och kvantdatorns mikorvågssignaler. För att kopplingen, och därmed överföringen, ska bli så effektiv som möjligt behöver de mekaniska vibrationerna som förmedlar överföringen isoleras till komponenten i så stor utsträckning som möjligt. Kravet på mekanisk isolering har hittills varit oförenlig med optimal värmeledningsförmåga, vilket ligger till grund för de värmeproblem enheten står inför. De nya resultaten föreslår en annan oupptäckt väg som kan bryta trade off-problematiken mellan kommunikationshastighet, effektivitet och brus. 

Den framlagda lösningen är publicerad i tidsskriften Optica och bygger på en kritisk omdesign av den optomekaniska kristallen. Till skillnad från konventionella kristaller som vanligtvis hänger bortkopplade från resten av chippet möjliggör den nya designen för kristallen att vila på chippets yta. Den nya designen tillåter en betydligt större ankringsområde i komponenten utan nämnvärd uppoffring av mekanisk isolering. Lösningen ligger i att använda vibrationer med kort våglängd vilka har mindre fallenhet för läckage och förlust jämfört med längre våglängder.
Att låta ljudvågorna interagera med motförökande ljussignaler skapar sedan koppling som nästintill kan mäta sig med konventionella state-of-the-art designer.

– Vi har byggt ett delsystem av en elektro-optisk länk med egenskaper som väl matchar vår teori och våra simuleringar. Det här gör det möjligt att koppla in mer ljus utan att riskera överhettning, vilket i tur kan leda till en ökad kommunikationshastighet mellan kvantdatorer, säger Johan Kolvik.

Återstående utmaningar är under utredning

Chalmersforskarnas presenterade lösning ses som ett viktigt steg i realiserandet av sammankopplade kvantdatorer med hög kommunikationshastighet. Men flera utmaningar kvarstår.
Den optomekaniska komponenten har ännu inte studerats noggrant vid de millikelvintemperaturer där de supraledande kvantkretsar fungerar. Designen och mätningarna som publicerades i tidsskriften Optica tittade endast på de optomekaniska komponenterna i givaren, eftersom detta är den del som uppvisar de flesta uppvärmningsbegränsningarna. 

– Forskarteamet arbetar nu hårt för att demonstrera gränssnittet mellan gigahertz-akustiken och mikrovågorna. En ”re-design” på en sådan grundläggande nivå innebär att teamet måste återuppfinna en mängd tekniker för att samlokalisera mikrovågor, akustik och ljus till samma lilla volym på ett chip. Detta har tagit konventionella upphängda optomekaniska kristaller över ett decennium, och det finns tidiga indikationer, dock utan garanti, för att en likvärdig väg kan hittas för de nya helt ankrade enheterna, säger Raphaël Van Laer, forskningsledare och forskarassistent vid kvantteknologi på Chalmers. 

Mer info:
Forskningsstudien ”Clamped and sideband-resolved silicon optomechanical crystals” är publicerad i tidskriften Optica

Studien genomfördes av Johan Kolvik, Paul Burger, Joey Frey, och Raphaël Van Laer, verksamma vid avdelningen för kvantteknologi vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Kontaktperson:
Johan Kolvik, doktorand vid kvantteknologi, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers.
kolvik@chalmers.se