Новая интегрированная фотонная платформа может проводить точные квантовые эксперименты, которые раньше были возможны только с помощью нескольких настольных лазеров и других громоздких устройств. По словам американских разработчиков, новое устройство размером с чип может найти применение в квантовых вычислениях и портативных оптических часах на основе захваченных ионов.
Сегодняшние квантовые компьютеры и оптические часы зависят от целого ряда оборудования, которое обычно включает в себя некоторую комбинацию лазеров, криогенных охладителей, вакуумных камер и оптических эталонных резонаторов. Последние из них могут занимать более половины общего объема устройства и имеют решающее значение для стабилизации лазерных частот с высокой точностью, необходимой для управления квантовыми состояниями захваченных ионов. Такие ионы могут служить квантовыми битами (кубитами) в квантовых вычислениях, а также использоваться для точного измерения времени в оптических часах. В последнем случае каждый такт часов определяется частотой света, который ионы поглощают и излучают, когда они подвергаются определенному субгерцевому переходу (так называемый «тактовый переход») между уровнями атомной энергии.
Миниатюризация больших лазерных систем
Исследователи во главе с Дэниелом Блюменталем из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) и Робертом Ниффенеггером из Массачусетского университета в Амхерсте теперь впервые показали, что эти большие стабилизированные лазерные системы можно заменить небольшими фотонными чипами. Они использовали эти чипы для подготовки и контроля квантового состояния ионов стронция при комнатной температуре, а также для управления часовым переходом. Хотя точность системы еще недостаточно высока, чтобы конкурировать с лучшими устройствами традиционной конструкции, Ниффенеггер описывает ее как важный первый шаг к созданию часов следующего поколения и будущих квантовых компьютеров с миллионами кубитов. «Достижение такой цели будет возможно только с помощью таких интегрированных квантовых систем на чипе», — объясняет он.
Блюменталь, Ниффенеггер и их коллеги использовали два компонента для создания своего стабилизированного лазера на основе чипа: встроенный лазер Бриллюэна с длиной волны 674 нм, соединенный со встроенным резонатором с катушкой длиной 674 нм и длиной 3 м. Команда охарактеризовала стабильность этого лазера и катушки, измерив квадрупольный оптический тактовый переход с частотой 0,4 Гц в стронции-88 (88старший+) ионы, захваченные электродом, расположенным на чипе одноповерхностной электродной ловушки (SET). Этот переход является одним из наиболее точных, используемых сегодня квантовыми исследователями, а его узкая ширина линии позволяет относительно легко измерить его с помощью спектроскопии захваченных ионов с высоким разрешением.
«Тот факт, что эти результаты были достигнуты с помощью SET при комнатной температуре, примечателен, учитывая точность перехода, и является важным шагом вперед в реализации портативных версий этой квантовой технологии», — говорит Блюменталь.
Делаем оптические часы более портативными и надежными
Помимо того, что чип имеет меньшие размеры, чем традиционные лазеры, бриллюэновский лазер с длиной волны 674 нм также устраняет необходимость в громоздком оборудовании для преобразования частоты. Еще одним преимуществом является снижение высокочастотного шума, который важен для синхронизации тактового сигнала и точности подготовки состояния кубита и которого невозможно достичь с помощью стандартных электронных контуров обратной связи. Катушка, в свою очередь, снижает средне- и низкочастотный шум, еще больше стабилизируя несущую частоту лазера, чтобы ее можно было синхронизировать с точным субгерцовым тактовым переходом захваченных ионов.
По словам Ниффенеггера, такое сочетание улучшений позволило команде достичь профиля частотного шума и так называемого отклонения Аллена (меры стабильности) всего лишь 5,3 × 10.—13 «Это беспрецедентный показатель для чипа, работающего при комнатной температуре. «Таким образом, мы можем подготовить состояния кубита с высокой точностью и исследовать тактовый переход, что важно для приложений квантовых вычислений», — говорит он.
Переход от ионных часов может принести пользу квантовым вычислениям и ядерной физике
Читать далее
Поскольку оптические часы становятся более портативными и надежными, они становятся более пригодными для более широкого спектра приложений. Конечная цель, по словам Блюменталя, — достичь диапазона стабильности 10-14 до 10-16что позволит оптическим часам заменить навигацию на основе GPS в миссиях на Луну и Марс. «Такие часы могут также способствовать развитию фундаментальной науки – например, путем картирования гравитации и измерения времени на орбите вокруг Земли для науки о климате, обнаружения гравитационных волн и темной материи/энергии, а также для измерений общей теории относительности, и это лишь некоторые из них», – объясняет он.
Ниффенеггер говорит, что теперь возможно масштабировать интегрированную платформу команды до сетки из 100 и более ионов для дальнейшего повышения производительности. Сейчас он и его коллеги работают над интеграцией других экспериментальных компонентов (включая чип ионной ловушки, чип оптического резонатора и другую фотонику) в единый чип с полной архитектурой, основанный на их текущих разработках. «Предварительные результаты уже показывают улучшение производительности, и в ближайшее время ожидаются дальнейшие интересные разработки», — говорят они. Мир физики.
Настоящая работа подробно описана в Природные коммуникации.
