קוויביטים של מצב מוצק: אטומים מלאכותיים פותחים פריצת דרך בתחום המחשוב הקוונטי

פריצת דרך של JILA בשילוב אטומים מלאכותיים עם מעגלים פוטוניים מתקדמת מחשוב קוונטי יעילות ומדרגיות.

במדעי המידע הקוונטי, חלקיקים רבים יכולים לפעול כ"סיביות", מאטומים בודדים ועד פוטונים. ב-JILA, חוקרים משתמשים בביטים האלה כ"קווביטים", מאחסנים ומעבדים קוונטים 1 או 0 באמצעות מערכת ייחודית.

בעוד שעמיתים רבים של JILA מתמקדים בקיוביטים המצויים בטבע, כמו אטומים ויונים, עמית JILA ואוניברסיטת קולורדו בולדר עוזר פרופסור לפיזיקה Shuo Sun נוקט בגישה שונה באמצעות "אטומים מלאכותיים", או מוליכים למחצה ננו-גבישים בעלי תכונות אלקטרוניות ייחודיות . על ידי ניצול הדינמיקה האטומית בתוך גבישי יהלומים מיוצרים, פיזיקאים כמו סאן יכולים לייצר סוג חדש של קיוביט, המכונה "קיוביט במצב מוצק", או מלאכותי. אָטוֹם.

מעגלים פוטוניים ואתגרי אינטגרציה

מכיוון שהאטומים המלאכותיים הללו אינם זזים, אחת הדרכים לתת להם לדבר זה עם זה היא למקם אותם בתוך מעגל פוטוני. הפוטונים הנעים בתוך המעגל הפוטוני יכולים לחבר אטומים מלאכותיים שונים. כמו אוויר חם שנע דרך צינור אוויר כדי לחמם חדר קר, פוטונים נעים דרך המעגל הקוונטי כדי לגרום לאינטראקציות בין האטומים המלאכותיים. "קיום ממשק בין אטומים מלאכותיים לפוטונים מאפשר לך להשיג שליטה מדויקת על האינטראקציות בין שני אטומים מלאכותיים", הסביר סאן.

מבחינה היסטורית, היו בעיות עם שילוב אטומים מלאכותיים עם מעגלים פוטוניים. הסיבה לכך היא שיצירת האטומים המלאכותיים (שבו נדפקים אטומים מגביש יהלום) היא תהליך אקראי מאוד, המוביל למיקום אקראי של האטומים המלאכותיים, מספר אקראי של אטומים מלאכותיים בכל מיקום וצבע אקראי שכל אטום מלאכותי פולט.

נוסף על הנושא הוא חוסר ההתאמה בין החומר המארח את האטומים המלאכותיים לבין החומר המארח את המעגל הפוטוני. למרות שנים של מחקר, מדענים עדיין לא מצאו חומר מתאים שיכול להיות מארח טוב של שניהם, מה שמקשה על השילוב.
בחדש אותיות ננו מאמר, Sun, צוות המחקר שלו ומשתפי הפעולה מאוניברסיטת סטנפורד הציעו שיטה חדשה שתסלול את הדרך לפתרון שני האתגרים הללו, ותאפשר מעגל פוטוני קוונטי משולב מסובך יותר.

הטכניקה החדשה הזו מציעה השלכות גדולות יותר על עתיד מדע המידע הקוונטי, כולל דרך להגדיל את המעגלים. "יש לנו כעת דרך לשלב אטומים מלאכותיים מרובים על שבב פוטוני אחד", הסביר הסופר הראשון ותלמיד בוגר JILA Kin Fung Ngan.

שילוב יהלומים עם חומרים אחרים

מבחינה היסטורית, היהלום היה בחירה פופולרית לאירוח אטומים מלאכותיים, מכיוון שהוא טהור להפליא עם פער גדול, המאפשר לפיסיקאים שליטה רבה יותר על עירור האטום בתוך הגביש.

"הקווביטים שלנו מוטבעים ביהלום", הסביר נגן. "היתרון כאן הוא שאנחנו לא צריכים שום מכשיר נוסף כדי להחזיק אותם בחלל."

עם זאת, החיסרון בשימוש ביהלום כמארח קיוביט הוא שקשה להפליא לחצוב, מה שמקשה על הגדרת מעגלים פוטוניים עליהם. כמו כן, קשה להשיג חתיכת יהלום גדולה, בניגוד לחומרים פוטוניים אחרים כמו סיליקון ניטריד, שבהם פרוסים בגודל שמונה אינץ' זמינים בקלות.

כדי ליצור מעגל פוטוני קוונטי גדול, יש למקם את האטומים המלאכותיים המבוססים על יהלומים בתוך מעגל פוטוני המבוסס על חומר אחר, כמו סיליקון ניטריד. יואן ג'אן, סטודנט לתארים מתקדמים סאן, נגן ו-JILA נאלץ למצוא דרכים לשלב את שני הרכיבים השונים השוכנים בחומרים שונים. "אם האינטגרציה לא הושגה כראוי, ייתכן שיהיה לך צימוד חלש יותר בין האטום לאטום פוטון או אובדן פוטונים במהלך השידור. השפעות אלו יגרמו שגיאות כאשר אנו משתמשים בפוטונים כדי לתווך אינטראקציות בין שני אטומים מלאכותיים", פירט סאן.

בעוד שמחקרים קודמים ניסו לשלב בין שני החומרים באמצעות צמתים חיצוניים, החוקרים נקטו בגישה שונה על ידי הטמעת גוש יהלום בגודל ננו המכיל את האטום המלאכותי ישירות בתוך מעגל הסיליקון ניטריד. באמצעות שיטת מיקום מדויקת במיוחד לסידור הננו-יהלומים על השבב, החוקרים הוסיפו לשבב ננו-יהלומים המכילים אטום מלאכותי, ציפו את השבב כולו בשכבת סיליקון ניטריד, ולאחר מכן ייצרו מעגלים פוטוניים שמרוכזים סביב כל אטום. תהליך זה מבטיח את הצימוד המרבי בין האטום המלאכותי למעגל הפוטוני.

בדיקת ההגדרה הניסויית החדשה

לאחר הטמעת האטומים המלאכותיים במעגל הסיליקון ניטריד, החוקרים בדקו את יעילות הצימוד על ידי ריגוש האטומים המלאכותיים ומדידת האור שנאסף על ידי המעגל הפוטוני. הבדיקות שלהם הראו שהאור זורח בבהירות רבה יותר כשהאטום הונח בתוך חלל אופטי, וחשף את היכולת לקשר ביעילות את האור מהאטום המלאכותי למעגל הפוטוני.

מלבד תרומה לתאימות טובה יותר, טכניקת המיקום המדויקת אפשרה לחוקרים ליישר מספר אטומים מלאכותיים ברצף על אותו מעגל, מה שמראה את הגמישות של התהליך שלהם ואת יכולתו לארח קיוביטים מרובים בו-זמנית. נכון לעכשיו, נגאן, ג'אן וחוקרי JILA אחרים עובדים על טכניקות לגרום לאטומים המלאכותיים הללו לקיים אינטראקציה זה עם זה בעזרת פוטונים ולסבך שני אטומים מלאכותיים בעזרת פוטונים.

דואליות בעיצוב

בעוד שהמעגל הפוטוני הקוונטי הנוכחי ממנף פוטונים כמתווכים לאינטראקציות בין האטומים המלאכותיים (או הקיוביטים), הפוטונים עצמם יכולים לפעול גם כקיוביטים נפרדים בתוך המערכת.

"המעגל אכן יכול לעבוד לשתי מטרות", פירט סאן. "על ידי הטבעת אטומים מלאכותיים בתוך מעגל קוונטי פוטוני, נוכל להשתמש באטומים המלאכותיים כמקורות וזיכרונות של פוטונים בודדים, ובכך להפחית את המשאב הנדרש לבניית מעבד קוונטי פוטוני."

השילוב של תאימות החומר והדואליות של הקיוביטים במערכת מצביע על כך שלתכנון המעגלים של סאן עשויות להיות השלכות גדולות על עתיד המידע הקוונטי, מה שמציע דרך יעילה להגדיל את המערכות הפוטוניות הקוונטיות המשולבות.