Ο κβαντικός υπολογισμός αντιπροσωπεύει μια πιθανή καινοτόμο τεχνολογία που θα μπορούσε να ξεπεράσει κατά πολύ τους τεχνικούς περιορισμούς των σύγχρονων-ημερήσιων υπολογιστικών συστημάτων για ορισμένες εργασίες. Ωστόσο, η συναρμολόγηση πρακτικών κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας-παραμένει πρόκληση, ιδιαίτερα λόγω των περίπλοκων και λεπτών τεχνικών που εμπλέκονται.
Σε ορισμένα συστήματα κβαντικών υπολογιστών, μεμονωμένα ιόντα (φορτισμένα άτομα όπως το στρόντιο) παγιδεύονται και εκτίθενται σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία συμπεριλαμβανομένου του φωτός λέιζερ για την παραγωγή ορισμένων αποτελεσμάτων, που χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση υπολογισμών. Τέτοια κυκλώματα απαιτούν πολλά διαφορετικά μήκη κύματος φωτός να εισαχθούν σε διαφορετικές θέσεις της συσκευής, πράγμα που σημαίνει ότι πολλές ακτίνες λέιζερ πρέπει να διατάσσονται σωστά και να παραδίδονται στην καθορισμένη περιοχή. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι πρακτικοί περιορισμοί της παροχής πολλών διαφορετικών ακτίνων φωτός γύρω σε έναν περιορισμένο χώρο γίνονται δυσκολία.
Για να το αντιμετωπίσουν αυτό, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Οσάκα ερεύνησαν μοναδικούς τρόπους παροχής φωτός σε περιορισμένο χώρο. Η δουλειά τους αποκάλυψε ένα αποτελεσματικό νανοφωτονικό κύκλωμα-με οπτικές ίνες προσαρτημένες σε κυματοδηγούς για να μεταδίδουν έξι διαφορετικές ακτίνες λέιζερ στους προορισμούς τους. Τα ευρήματα έχουν δημοσιευθεί στοAPL Quantum.
"Δεν έχουν ακόμη αναπτυχθεί επεκτάσιμες, πρακτικές μέθοδοι διαμόρφωσης φωτονικών κυκλωμάτων που σχετίζονται με παγιδευμένους-κβαντικούς υπολογιστές ιόντων για να επιτρέπουν την παροχή φωτός λέιζερ", λέει ο συγγραφέας Alto Osada. «Για να ξεπεράσουμε αυτήν την πρόκληση, θέλαμε να δημιουργήσουμε μια αποτελεσματική μέθοδο που να αντιπροσωπεύει όλες τις ζώνες παγίδευσης σε μια παγίδα ιόντων».
Ως μέρος της έρευνας, οι κυματοδηγοί έπρεπε να χωριστούν και να αναδιαταχθούν με δημιουργικούς τρόπους μέσα στο κύκλωμα για να μεταδώσουν τις διαφορετικές ακτίνες λέιζερ στις σωστές θέσεις. Τα σχέδια έπρεπε επίσης να λάβουν υπόψη τη δυνατότητα απενεργοποίησης και ενεργοποίησης των ακτίνων λέιζερ ανεξάρτητα, παρέχοντας παράλληλα την υψηλότερη δυνατή απόδοση ισχύος.
Τα μοτίβα κυματοδηγών που προκύπτουν έχουν την όψη περίπλοκων ταπετσαριών-που τραβούν τα βλέμματα καθώς οι ακτίνες λέιζερ διασχίζουν η μία την άλλη και κινούνται μέσα στα κυκλώματα.
«Η δουλειά μας δείχνει ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί να επιτρέψει αρκετές εκατοντάδες qubits σε ένα μόνο τσιπ», επισημαίνει ο Osada. Τα Qubits αναφέρονται στις βασικές μονάδες του κβαντικού υπολογισμού, βάσει των οποίων εκτελούνται οι κβαντικοί αλγόριθμοι για την αντιμετώπιση προβλημάτων του πραγματικού-κόσμου.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο προσεγγίσεις για τη διαμόρφωση μοτίβων, που αναφέρονται ως ταξινόμηση με φυσαλίδες και διπλασιασμός κατά μπλοκ. Και τα δύο σχέδια βρέθηκαν να έχουν πλεονεκτήματα, με τους ερευνητές να προτείνουν ότι η επιλογή μεταξύ των δύο θα εξαρτηθεί από παράγοντες όπως ο αριθμός των απαιτούμενων ακτίνων λέιζερ και οι απώλειες φωτονικών στοιχείων. Η μελέτη ανέδειξε με επιτυχία τη σκοπιμότητα και τη δυνατότητα χρήσης πολύπλοκων μοτίβων κυματοδηγών σε κυκλώματα για να φέρουν δέσμες φωτός σε παγιδευμένα ιόντα.
Αυτή η έρευνα παρέχει συναρπαστικές συνέπειες ότι η ίδια ιδέα θα μπορούσε να εφαρμοστεί όχι μόνο στον κβαντικό υπολογισμό αλλά και στην κατασκευή προηγμένων οπτικών συστημάτων, που αντιπροσωπεύουν μια σημαντική τεχνολογική ανακάλυψη με ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.
