光学布线使更大的量子计算机得以实现

ETH Zurich的研究人员演示了一种从单个芯片的物理结构中精确地将多个激光束传递到预定位置的方法。这种方法足够稳定，可进行精细的量子操作。激光精度一直是建造大型量子计算机的障碍；因为激光必须精确对准只有几微米大小的目标，即使是微小的震动会干扰操作。为了解决这个问题， ETH Zurich的研究人员将微波导集成在含有电极的芯片中。电极用于捕获离子以便光可以直接被这些离子引导。研究员Jonathan Home的博士生Chi Zhang说，“这样低温恒温器或仪器其它部分的振动产生的干扰就少了很多。”

带集成光波导的离子阱芯片。激光通过右侧的光纤送入芯片。K. Metha/ ETH Zurich供图。

研究人员委托一家加工厂生产芯片，这种芯片既含有用于离子阱的金原子，又在内层还有光波导用于激光传输。在芯片的一端，光从光纤末端耦合到100纳米厚的波导，在芯片内形成光分布网络。每个波导都通向芯片上的指定地点。在那里光最终偏向表面被囚禁的离子。

之前与麻省理工学院合作进行的芯片架构设计表明这种方法原则上是可行的。现在的工作表明整个流程进一步完善，从而可以实现不同原子之间的低误差量子逻辑门运算。Home组的博士生Maciej Malinowski说：“有了这种新芯片，我们能够执行双量子位逻辑门，并使用它们产生具有高保真度的纠缠状态，而这种状态到目前为止只能在最好的常规实验中实现。” 这个研究小组目前正在开发不同种类的芯片，这些芯片旨在一次控制多达10个量子位，并寻求芯片设计来支持快速、精确的量子操作。

这项研究发表在《Nature》上(www.doi.org/10.1038/s41586-020-2823-6).