В лабораторных условиях уже успешно демонстрируются квантовые системы, состоящие из 12 кубитов, но строительство компьютеров, достаточно сложных для того, чтобы выполнять полезные вычисления, упирается в необходимость значительной миниатюризации кубитов.

Наиболее разработанной технологией квантовых битов, вероятно, являются ионные ловушки.

«Традиционная установка включает вакуумный сосуд с клеткой внутри для захвата ионов. Вся лаборатория вокруг занята внешней оптической системой, служащей, чтобы направлять лазерные лучи на ионы, — отмечает Раджив Рам (Rajeev Ram), профессор электротехники Массачусетского технологического института. — Нашим намерением было миниатюризировать большую часть этой лаборатории и разместить её на чипе».

Во вчерашнем выпуске Nature Nanotechnology исследователи из Лаборатории Линкольна MIT сообщили об изготовленном там прототипе чипа, который захватывает ионы электронным полем и использует встроенную оптику для управления лазерным лучом.

Группа Квантовой информации и интегрированных наносистем Лаборатории Линкольна одна из многих работает над созданием более простых и малогабаритных ионных ловушек, известных как поверхностные ловушки. Эти устройства используют электроны, внедрённые в поверхность микросхемы, чтобы удерживать ионы на высоте в 50 мкм от неё. В отличие от традиционных ловушек в виде клетки из электродов, поверхностные ловушки не имеют внутреннего ограничения на размеры: в принципе, их можно расширять бесконечно. На современном технологическом уровне они все ещё нуждаются в вакуумной камере, но позволяют вместить в прежний её объём гораздо большее число кубитов, чем 10–20 доступных до сих пор.

Выполнение квантовых вычислений требует точного управления энергетическим состоянием каждого ионного кубита, что осуществляется лучом лазера. В поверхностной ловушке соседние ионы разделяет промежуток всего 5 мкм, поэтому попасть внешним лазерным лучом только в один ион превращается в сложную задачу. Все предложенные до сих пор способы были непрактичны для применения в крупных масштабах.

Рам и первый автор статьи аспирант MIT, Каран Мехта (Karan Mehta), спроектировали и изготовили интегрируемый на чип набор оптических компонентов, направляющих луч на отдельные ионы.

«Фотонная интеграция снимает вопрос устойчивости нацеленного луча, поскольку все происходит в том же чипе, где размещаются электроды. Все компоненты жёстко зафиксированы относительно друг друга, и все стабильно», — сообщил Рам.

Новый чип собран на кварцевой подложке. На ней расположены «волноводы» из нитрида кремния, а поверх них — слой стекла и ниобиевые электроды. Луч лазера, проходя сквозь отверстия в электродах, попадает на дифракционную решётку волноводов, концентрирующую свет на одиночном ионе.

В представленном прототипе ещё не предусмотрено механизма регулировки количества света, доставляемого к каждому иону. Авторы рассматривают возможность добавления к дифракционной решётке модулятора света, благодаря чему разные кубита смогут одновременно получать свет переменной интенсивности. Это сделало бы программирование кубитов более эффективным, а квантовую информационную систему — более практичной.