La luz se encuentra con los circuitos superconductores

En los últimos años, varias empresas de tecnología, incluidas Google, Microsoft e IBM, han invertido masivamente en sistemas de computación cuántica basados ​​en plataformas de circuitos superconductores de microondas en un intento de escalarlos desde pequeños sistemas orientados a la investigación hasta plataformas de computación comercializadas. Sin embargo, darse cuenta del potencial de las computadoras cuánticas requiere un aumento significativo en el número de qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas que pueden almacenar y manipular información cuántica.

Sin embargo, las señales cuánticas pueden contaminarse con ruido térmico generado por el movimiento de electrones. Para evitar esto, los sistemas cuánticos superconductores deben operar a temperaturas muy bajas, por debajo de 20 milikelvins, lo que se puede lograr con refrigeradores de dilución de helio criogénico.

Las señales de microondas de salida de tales sistemas se amplifican a bajas temperaturas mediante transistores de bajo ruido y alta movilidad de electrones (HEMT). A continuación, las señales se envían al exterior del frigorífico mediante un horno microondas. cables coaxialescuáles son las soluciones más fáciles de controlar y leer dispositivos superconductores pero son malos aislantes térmicos y ocupan mucho espacio; esto se convierte en un problema cuando necesitamos escalar los qubits en miles.

Los científicos del grupo del profesor Tobias J. Kippenberg de la Escuela de Ciencias Fundamentales de la EPFL han desarrollado un enfoque novedoso que utiliza la luz para leer circuitos superconductores, superando así los desafíos de escalar sistemas cuánticos. El trabajo fue publicado en Naturaleza Electrónica.

Los científicos reemplazaron los amplificadores HEMT y los cables coaxiales con un modulador de fase de niobato de litio y fibras ópticas, respectivamente. Las señales de microondas de los circuitos superconductores modulan el portador del láser y codifican la información de salida de luz a temperaturas criogénicas. Las fibras ópticas son aproximadamente 100 veces mejores aislantes térmicos que los cables coaxiales y son 100 veces más compactas. Esto hace posible diseñar sistemas cuánticos a gran escala sin la necesidad de una enorme potencia de enfriamiento criogénico. Además, la conversión directa de señales de microondas al dominio óptico facilita la transferencia a larga distancia y la conexión en red entre sistemas cuánticos.

“Presentamos un experimento de prueba de principio que utiliza un protocolo de lectura óptica novedoso para medir ópticamente un dispositivo superconductor a temperaturas criogénicas”, dice el Dr. Amir Youssefi. estudiante trabajando en un proyecto. “Abre nuevas posibilidades para escalar futuros sistemas cuánticos”. Para validar este enfoque, el equipo realizó mediciones espectroscópicas coherentes e inconsistentes convencionales en un circuito electromecánico superconductor, que mostró una excelente correspondencia entre las mediciones HEMT ópticas y tradicionales.

Aunque el proyecto utilizó un modulador de fase electroóptico comercial, los científicos están desarrollando dispositivos electroópticos avanzados basados ​​en tecnología integrada de niobato de litio para aumentar significativamente la eficiencia de conversión del método y reducir los niveles de ruido.