Ένα ιδιαίτερα εξελιγμένο οπτικό σύστημα λέιζερ ανέπτυξε το Fraunhofer Institute for Laser Technology (ILT) στο Άαχεν, για τον κβαντικό υπολογιστή που κατασκευάζεται στο 5ο Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης.
Το σύστημα επιτρέπει την τοποθέτηση και τον ακριβή έλεγχο 2.000 ατόμων Rydberg μέσα στον θάλαμο κενού του υπολογιστή, ανοίγοντας τον δρόμο για πιο ισχυρούς και αξιόπιστους κβαντικούς υπολογιστές.
Ο έλεγχος των ατόμων με «οπτικές λαβίδες»
Η τεχνολογία βασίζεται σε μια διάταξη 2.000 ανεξάρτητα ελεγχόμενων δεσμών λέιζερ, οι οποίες λειτουργούν ως «οπτικές λαβίδες». Κάθε δέσμη συγκρατεί ένα άτομο Rydberg σε προκαθορισμένη θέση, διατηρώντας απόσταση μόλις 3,5 μικρομέτρων από τα γειτονικά άτομα, ώστε να μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Οι αλληλεπιδράσεις αυτές αποτελούν τη βάση των κβαντικών λογικών πυλών δύο qubit, των θεμελιωδών δομικών στοιχείων κάθε κβαντικού υπολογιστή.
Γιατί τα άτομα Rydberg είναι τόσο σημαντικά
Τα άτομα Rydberg είναι ιδανικά για εφαρμογές κβαντικής υπολογιστικής, επειδή όταν διεγείρονται με λέιζερ αποκτούν εξαιρετικά μεγάλη ευαισθησία στα ηλεκτρικά πεδία. Το εξωτερικό ηλεκτρόνιό τους μετακινείται πολύ μακριά από τον πυρήνα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ελέγχουν με μεγάλη ακρίβεια τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών ατόμων.
Η ερευνητική ομάδα της Στουτγάρδης αξιοποιεί μια κατοχυρωμένη τεχνολογία qubit που λειτουργεί στο «μαγικό» μήκος κύματος των 592 νανομέτρων, γεγονός που αυξάνει σημαντικά τη σταθερότητα του συστήματος.
Ακρίβεια μικρότερη από 100 νανόμετρα
Η μεγαλύτερη πρόκληση ήταν η δημιουργία ενός συστήματος που να μπορεί να ελέγχει ανεξάρτητα και τις 2.000 δέσμες λέιζερ, διατηρώντας παράλληλα ακρίβεια μικρότερη από 100 νανόμετρα στις αποστάσεις μεταξύ των εστιών.
Ολόκληρο το οπτικό σύστημα περιλαμβάνει περισσότερα από 150 οπτικά εξαρτήματα, ενώ καταλαμβάνει επιφάνεια μόλις ενός τετραγωνικού μέτρου. Μετά την εγκατάστασή του στη Στουτγάρδη, λειτούργησε χωρίς να απαιτηθούν πρόσθετες ρυθμίσεις.
Από τέσσερις ακτίνες σε 2.000 ανεξάρτητες δέσμες
Η λειτουργία του συστήματος ξεκινά με τέσσερις ισχυρές δέσμες λέιζερ συνολικής ισχύος 20 Watt. Μέσω μιας αλληλουχίας διαχωριστών δέσμης, ακουστοοπτικών εκτροπέων, φακών και κατόπτρων, οι τέσσερις αρχικές ακτίνες μετατρέπονται σε 2.000 ανεξάρτητα ελεγχόμενες δέσμες ίσης ισχύος.
Στη συνέχεια, ειδικά σχεδιασμένοι καθρέφτες και ένα τηλεκεντρικό οπτικό σύστημα μειώνουν την απόσταση μεταξύ των δεσμών, ώστε να δημιουργηθεί μέσα στον θάλαμο κενού η απαιτούμενη διάταξη ατόμων με απόλυτη ακρίβεια.
Βήμα προς τους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η επιτυχία του έργου αποτελεί σημαντικό ορόσημο για την κλιμάκωση των κβαντικών υπολογιστών. Όσο αυξάνεται ο αριθμός των λογικών qubit, τόσο μεγαλώνει εκθετικά η υπολογιστική ισχύς αυτών των συστημάτων.
Παράλληλα, η τεχνογνωσία του Fraunhofer ILT σε τεχνολογίες λέιζερ και οπτικών συστημάτων αναμένεται να συμβάλει και σε άλλες εφαρμογές της κβαντικής τεχνολογίας, όπως το κβαντικό διαδίκτυο, οι μετατροπείς κβαντικών συχνοτήτων και οι επεξεργαστές που βασίζονται είτε σε παγιδευμένα ιόντα είτε σε άτομα Rydberg.