Исследователи достигли значительного прорыва в области квантовых вычислений, создав устройство, толщина которого почти в 100 раз меньше человеческого волоса. В опубликованной в журнале Nature Communications работе представлен новый тип оптического фазового модулятора, предназначенного для сверхточного управления лазерным светом. Такая технология необходима для будущих квантовых компьютеров, которые смогут оперировать тысячами и даже миллионами кубитов — основных единиц хранения и обработки квантовой информации.

Масштабируемое производство

Особое внимание уделяется способу изготовления устройства. Вместо использования специализированного лабораторного оборудования, ученые применили масштабируемые производственные методы, аналогичные тем, что используются при создании процессоров для компьютеров, смартфонов, автомобилей и бытовой техники. Такой подход делает устройство гораздо более пригодным для массового производства.

Принцип работы и преимущества

В основе технологии лежат микроволновые вибрации, происходящие миллиарды раз в секунду. Эти колебания позволяют чипу управлять лазерным светом с высокой точностью. Благодаря прямому контролю фазы лазерного луча устройство способно генерировать новые, стабильные и эффективные частоты лазера. Такой уровень управления необходим не только для квантовых вычислений, но и для развития квантовых сенсоров и квантовых сетей.

Значение для квантовых компьютеров

Многие перспективные архитектуры квантовых компьютеров используют ионы или нейтральные атомы в ловушках для хранения информации, где каждый атом выполняет роль кубита. Для взаимодействия с этими атомами требуются лазерные лучи, настроенные с исключительной точностью — иногда до миллиардных долей процента. В настоящее время такие точные сдвиги частоты достигаются с помощью громоздких настольных устройств, требующих значительной микроволновой мощности. Хотя они подходят для небольших экспериментов, подобные системы непрактичны для масштабных квантовых компьютеров с множеством оптических каналов.

Новое устройство создает сдвиги частоты лазера посредством эффективной фазовой модуляции, используя примерно в 80 раз меньше микроволновой мощности, чем многие существующие коммерческие модуляторы. Снижение энергопотребления уменьшает тепловыделение, что позволяет размещать больше каналов на одном чипе. В совокупности эти преимущества превращают чип в масштабируемую систему, способную координировать точные взаимодействия атомов, необходимые для квантовых вычислений.

Индустриальное производство и интеграция

Одним из ключевых достижений проекта стало то, что устройство полностью изготовлено на фабрике, аналогичной тем, где производят современные микросхемы. Использование технологии CMOS открывает путь к массовому производству тысяч и даже миллионов идентичных фотонных устройств, что крайне важно для развития квантовых вычислений.

Команда усовершенствовала технологии модуляторов, которые ранее были громоздкими, дорогими и энергоемкими, сделав их более компактными, эффективными и простыми для интеграции. Это способствует переходу оптики к собственной «транзисторной революции», уходя от оптических аналогов вакуумных ламп к масштабируемым интегрированным фотонным технологиям.

Перспективы развития

В настоящее время исследователи работают над созданием полностью интегрированных фотонных схем, объединяющих генерацию частот, фильтрацию и формирование импульсов на одном чипе. Это приближает отрасль к созданию полноценной рабочей квантовой фотонной платформы. В дальнейшем команда планирует сотрудничать с компаниями, занимающимися квантовыми вычислениями, чтобы протестировать эти чипы в современных квантовых компьютерах на ионах и нейтральных атомах.

Это устройство является одной из последних недостающих частей головоломки. Мы приближаемся к действительно масштабируемой фотонной платформе, способной управлять огромным количеством кубитов.