Low-ruis transducers kunnen de opening tussen magnetron en optische qubits overbruggen

In de poging om supergeleidende kwantumcomputers te bouwen, werken onderzoekers over de hele wereld aan het ontwikkelen van elektrische circuits die in het microgolfdomein werken met behulp van individuele deeltjes van microgolfstraling (microgolffotonen) als qubits – de basisbouwstenen van kwantumcomputing.

Deze magnetronqubits zijn een leidende benadering van het bouwen van kwantumcomputers vanwege hun gemak van controle en schaalbare fabricage. De apparaten moeten worden gekoeld tot ultralow temperaturen van ongeveer 30 millikelvin (-459,6 graden Fahrenheit) om achtergrondgeluid laag genoeg te houden zodat de individuele microgolffotonen kunnen worden gedetecteerd en samengewerkt.

Maar magnetronfotonen verliezen snel hun kwantuminformatie (decohere) bij kamertemperatuur. Om die qubits bij kamertemperatuur te verzenden via optische kabels zoals die welke worden gebruikt voor het huidige internet, moeten de magnetronfotonen worden omgezet in optische fotonen met een hogere energie. Een dergelijke conversie kan de constructie van grootschalige gedistribueerde supergeleidende kwantumcomputers mogelijk maken.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van Mohammad Mirhosseini, universitair docent elektrotechniek en toegepaste fysica bij Caltech, een on-chip-transducer ontwikkeld om die significante energiekloof te overbruggen. Het siliciumapparaat voert een stapsgewijze transformatie uit om microgolffotonen te converteren naar optische fotonen. Het werk is beschreven in het dagboek Natuurnanotechnologie.

Het nieuwe apparaat omvat een kleine siliciumstraal die trilt bij 5 Gigahertz en paren naar een magnetronresonator – in wezen een doos op nanoschaal waarin fotonen rondstuiteren, ook op 5 GHz. Met behulp van een techniek genaamd elektrostatische bediening, eerder ontwikkeld door het Mirhosseini -lab voor kwantumtoepassingen, wordt een magnetronfoton in die doos omgezet in een mechanische trilling van de balk, en die mechanische oscillatie, met behulp van laserlicht, wordt door de resonator omgezet in een optisch foton.

“Hoewel het moeilijk is om directe koppeling te krijgen tussen magnetrons en optische fotonen, is het relatief eenvoudig om een ​​grote koppeling te krijgen tussen microgolffotonen en monteurs, en vervolgens mechanica en optische fotonen”, zegt William Chen, Caltech Electrical Engineering Graduate Student en co-leidende auteur van het papier samen met voormalige Caltech-postdoctorale wetenschapper Han Zhao.

Ingenieurs gebruiken verschillende statistieken om de effectiviteit van een dergelijke conversietechniek te analyseren. Het belangrijkste bij die statistieken is het tot een minimum behouden van ruis of de introductie van valse signalen.

“Onze methode is agnostisch voor het exacte materiaal waaruit onze mechanische oscillator is gebouwd,” legt Chen uit, “dus we konden de transducer bouwen uit silicium, waarvan is aangetoond dat het zeer weinig verwarming heeft onder laserverlichting. Dit stelt ons in staat om het lage geluidsniveau te krijgen dat we in dit werk hebben kunnen bereiken.”

Een andere belangrijke metriek is het product van de efficiëntie van een methode, dat wil zeggen het vermogen om een ​​magnetronfoton om te zetten in een optisch foton en de omzetsnelheid, of hoe snel het apparaat kan worden hergebruikt. Het CalTech-apparaat kan microgolffotonen omzetten in optische fotonen ongeveer 100 keer beter dan eerdere ultramoderne systemen met dezelfde hoeveelheid ruis.

“In de aanloop hierop is geleidelijke vooruitgang geboekt bij het bereiken van hogere en hogere efficiëntie met lager en lager geluid. Nu hebben we een systeem gemaakt dat een echt hoog rendement kan bereiken in vergelijking met wat er was,” zegt Mirhosseini. “Ons apparaat is ook veel eenvoudiger te fabriceren op grotere schalen, dus we zijn verheugd dat het potentieel heeft om ons in staat te stellen demonstraties te doen die niet eerder binnen handbereik waren.”

Caltech afgestudeerde student Abhishek Kejriwal is ook een auteur van de krant.