Komputer Kuantum: Fisikawan ISTA mencapai pembacaan optik qubit superkonduktor
Qubits-unit mendasar dari seluruh sektor teknologi-informasi kuantum. Di antara mereka, qubit superkonduktor dapat berperan dalam membangun komputer kuantum skala besar, tetapi mereka mengandalkan sinyal listrik dan sulit untuk dikurangi. Dalam terobosan, tim fisikawan di Institute of Science and Technology Austria (ISTA) telah mencapai pembacaan sepenuhnya optik qubit superkonduktor, mendorong teknologi di luar keterbatasan saat ini. Temuan mereka diterbitkan di Fisika Alam.
Setelah reli selama setahun, stok komputasi kuantum terhenti hampir beberapa hari memasuki tahun internasional sains dan teknologi kuantum. Alasan untuk kemunduran yang tiba -tiba ini adalah keynote CEO NVIDIA Jensen Huang di pameran dagang teknologi CES 2025, di mana ia meramalkan bahwa “komputer kuantum yang sangat berguna” masih dua dekade ke depan.
Selain dari pasar saham dan pameran dagang teknologi, perlombaan terus berlanjut ke komputer kuantum yang dapat diskalakan yang dapat melakukan beberapa perhitungan secara eksponensial lebih cepat daripada komputer 'klasik'. Sementara 'keuntungan kuantum' yang menjanjikan ini menghasilkan perkembangan cepat perangkat keras kuantum, banyak rintangan teknis masih harus diatasi sebelum komputer kuantum menjadi 'berguna'.
Sekarang, tim fisikawan dari kelompok Profesor Johannes Fink di Institute of Science and Technology Austria (ISTA) telah berhasil mengatasi batasan penting, yang dapat membantu meningkatkan komputer kuantum. Dengan memastikan qubit memahami bahasa serat optik, tim sangat mengurangi jumlah perangkat keras kriogenik yang diperlukan untuk mengukurnya. “Pendekatan baru ini memungkinkan kami untuk meningkatkan jumlah qubit sehingga mereka menjadi berguna untuk perhitungan. Ini juga meletakkan dasar untuk membangun jaringan komputer kuantum superkonduktor yang terhubung melalui serat optik pada suhu kamar,” kata penulis pertama Georg Arnold, Mantan kandidat PhD dalam kelompok Fink di ISTA.
Tantangan menerapkan fiberoptics untuk superkonduktor perangkat keras kuantum
Sementara fiberoptics telah merevolusi industri telekomunikasi dengan banyak keunggulan mereka dibandingkan transmisi listrik dan memungkinkan komunikasi berkecepatan tinggi, menerapkan optik pada perangkat keras kuantum bukanlah tugas yang mudah. Komputer kuantum superkonduktor, yang menggunakan sifat fisik khusus bahan pada suhu dekat nol absolut, menghadirkan tantangan mereka sendiri. Untuk mewujudkan qubit superkonduktor, sirkuit listrik kecil didinginkan hingga suhu yang sangat rendah di mana mereka kehilangan semua resistensi elektrik dan dengan demikian dapat mempertahankan arus yang mengalir tanpa batas waktu. “Dengan demikian, qubit superkonduktor adalah listrik menurut definisi. Untuk membuatnya, kita harus mencapai suhu hanya beberapa ribu derajat di atas nol absolut. Itu bahkan lebih dingin daripada ruang,” kata Arnold.
Namun, sinyal listrik memiliki bandwidth yang relatif rendah, yang berarti mereka mengirimkan sedikit informasi per unit waktu. Mudah diliputi oleh kebisingan, mereka juga rentan terhadap kehilangan informasi. Juga, kabel yang diperlukan menghilangkan banyak panas. Dengan demikian, “pembacaan qubit”, yaitu, mendeteksi dan mengukur qubit dengan mengirimkan sinyal listrik yang mereka pantulkan, membutuhkan pendinginan kriogenik kolosal serta komponen listrik yang rumit dan mahal untuk penyaringan dan amplifikasi. Di sisi lain, sinyal optik berenergi lebih tinggi-untuk contoh, pada panjang gelombang telekomunikasi-propagat dalam serat optik tipis dengan kerugian yang sangat kecil. Selain itu, mereka memiliki disipasi panas yang jauh lebih rendah dan bandwidth yang jauh lebih tinggi. Jadi, menggunakannya untuk mendorong batas perangkat keras kuantum superkonduktor akan ideal, jika saja qubit yang akan memahami bahasa mereka.
'Menerjemahkan' sinyal optik ke qubit
Untuk mencapai pembacaan yang sepenuhnya optik dalam perangkat keras kuantum superkonduktor, tim perlu menemukan cara untuk 'menerjemahkan' sinyal optik ke qubit dan kembali. “Idealnya, orang akan mencoba menyingkirkan sinyal semua listrik, karena kabel yang diperlukan mengangkut banyak panas ke ruang pendingin di mana qubit berada. Tapi ini tidak mungkin,” kata penulis pertama Thomas Werner, seorang PhD Calon dalam kelompok Fink di ISTA. Jadi, para peneliti berpikir untuk menggunakan transduser elektro-optik untuk mengubah sinyal optik menjadi frekuensi gelombang mikro-sinyal listrik yang dapat dipahami oleh qubit. Sebagai tanggapan, qubit mencerminkan sinyal gelombang mikro yang dikonversi transduser menjadi optik. Werner menyoroti kelezatan tugas, “Kami menunjukkan bahwa kami dapat mengirim cahaya inframerah dekat dengan qubit tanpa membuat mereka kehilangan superkonduktivitas mereka.” Menggunakan transduser elektro-optik sebagai sakelar memungkinkan tim untuk menghubungkan qubit langsung ke dunia luar.
Mengatasi penghalang qubit dan keunggulan lainnya
Untuk melakukan perhitungan 'berguna' dengan komputer kuantum, ribuan atau bahkan jutaan qubit diperlukan. Namun, infrastruktur mengalami kesulitan menjaga karena persyaratan pendinginan kriogenik untuk mendeteksi dan mengukurnya adalah penghalang. “Teknologi kami dapat mengurangi beban panas mengukur qubit superkonduktif secara signifikan. Ini akan memungkinkan kami untuk memecahkan penghalang qubit dan meningkatkan jumlah qubit yang dapat digunakan dalam komputasi kuantum,” kata Arnold.
Mencapai pembacaan yang sepenuhnya optik dari qubit superkonduktor juga memungkinkan para peneliti untuk menyingkirkan pengaturan banyak komponen listriknya yang rumit. Sinyal listrik dalam sistem pembacaan konvensional sangat rentan kesalahan, membutuhkan koreksi sinyal skala besar menggunakan banyak komponen listrik yang membatasi secara teknis dan mahal yang juga harus didinginkan hingga suhu kriogenik. “Jadi, dengan menggunakan transduser elektro-optik untuk memutuskan qubit dari infrastruktur listrik, kami dapat mengganti semua bagian yang tersisa dari pengaturan dengan optik,” kata Werner. Ini membuat sistem tidak hanya lebih kuat dan efisien, tetapi juga mengurangi biayanya.
Interfacing superkonduktor komputer kuantum melalui tautan suhu kamar
Teknologi ini dapat membantu meningkatkan jumlah qubit superkonduktor yang dapat digunakan lebih jauh dengan memungkinkan para ilmuwan untuk menghubungkan beberapa komputer kuantum menggunakan cahaya. Saat ini, komputer kuantum membutuhkan apa yang disebut “lemari es pengenceran” untuk memberikan pendinginan untuk seluruh pengaturan pengukuran, termasuk koneksi yang diperlukan antara modul prosesor. “Tetapi lemari es pengenceran ini juga memiliki keterbatasan praktis dan tidak dapat dibuat besar -besaran,” kata Arnold. Pada gilirannya, pembatasan ruang dan pendinginan membatasi jumlah qubit yang dapat digunakan. Tapi sekarang, menghubungkan dua qubit dalam dua lemari es pengenceran terpisah menggunakan serat optik mungkin dalam jangkauan, menurut para peneliti. “Infrastruktur tersedia, dan sekarang kami memiliki teknologi yang memungkinkan kami membangun jaringan komputasi kuantum sederhana pertama,” kata Arnold.
Fisikawan ISTA telah mencapai tonggak penting dalam mengembangkan perangkat keras kuantum superkonduktor, tetapi masih banyak lagi yang harus dilakukan. “Kinerja prototipe kami masih sangat terbatas secara khusus sehubungan dengan jumlah daya optik yang dibutuhkan dan dihilangkan. Namun demikian, itu berfungsi sebagai bukti prinsip bahwa pembacaan optik yang sepenuhnya optik dari qubit superkonduktor bahkan mungkin. Itu akan menjadi yang akan menjadi yang akan menjadi yang superkonduktor. Peran industri untuk mendorong teknik lebih jauh. ”
Publikasi:
Georg Arnold, Thomas Werner, Rishabh Sahu, Lucky N. Kapoor, Liu Qiu, dan Johannes M. Fink. 2025. All-Optical Superconducting Qubit Readout. Fisika Alam. Dua: 10.1038/S41567-024-02741-4
