Tillämpade fysiker vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har skapat en fotonrouter som kan kopplas in i kvantnätverk för att skapa robusta optiska gränssnitt för bruskänsliga mikrovågskvantdatorer.
Genombrottet är ett avgörande steg mot att en dag förverkliga modulära, distribuerade kvantdatornätverk som utnyttjar befintlig telekommunikationsinfrastruktur. Dagens fiberoptiska nätverk består av miljontals kilometer optisk fiber och skickar information mellan datorkluster som ljuspulser, eller fotoner, över hela världen på ett ögonblick.
Under ledning av Marko Lončar, Tiantsai Lin Professor of Electrical Engineering and Applied Physics vid SEAS, har teamet skapat en mikrovågsoptisk kvantomvandlare, en enhet som är utformad för kvantbehandlingssystem som använder supraledande mikrovågs-qubits som sina minsta driftsenheter (analogt med 1:orna och 0:orna i klassiska bits).
Forskningen publiceras i Nature Physics.
Omvandlaren är i praktiken en router för fotoner och överbryggar det stora energigapet mellan mikrovågs- och optiska fotoner, vilket gör det möjligt att styra mikrovågs-qubits med optiska signaler som genereras många kilometer bort. Enheten är den första i sitt slag som visar kontroll av en supraledande qubit med endast ljus.
Hana Warner, som är försteförfattare och doktorand, säger att transducern erbjuder ett sätt att utnyttja optikens kraft när man drömmer om kvantnätverk.
”Det är fortfarande långt kvar innan dessa system kan förverkligas, men för att nå dit måste vi komma på praktiska sätt att skala upp och koppla ihop de olika komponenterna”, säger Warner.
”Optiska fotoner är ett av de bästa sätten att göra det på, eftersom de är mycket bra bärare av information, med låg förlust och hög bandbredd.”
Supraledande qubits, som är nanofabricerade kretsar konstruerade för olika energitillstånd, är en framväxande plattform för kvantberäkningar på grund av deras skalbarhet, kompatibilitet med befintliga tillverkningsprocesser och förmåga att upprätthålla kvantsuperposition tillräckligt länge för att utföra beräkningar.
Transducerdrivet supraledande qubit-system. Kredit: Lončar-gruppen / Harvard SEAS
Men en av de största flaskhalsarna för att distribuera supraledande mikrovågs-qubitplattformar är de extremt låga temperaturer vid vilka de måste fungera, vilket kräver stora kylsystem som kallas utspädningskylskåp.
Eftersom framtida kvantdatorer kommer att kräva miljontals qubits för att fungera är det en utmaning att skala upp dessa system enbart med mikrovågsfrekvenssignaler. Lösningen ligger i att använda mikrovågs-qubits för att utföra kvantoperationerna, men att använda optiska fotoner som effektiva och skalbara gränssnitt.
Det är där transducern kommer in i bilden.
Harvard-teamets 2-millimeters optiska enhet liknar ett gem och sitter på ett chip som är cirka 2 centimeter långt. Den fungerar genom att länka en mikrovågsresonator med två optiska resonatorer, vilket möjliggör fram- och återgående utbyte av energi som möjliggörs av egenskaperna hos deras basmaterial, litiumniobat. Teamet utnyttjade detta utbyte för att eliminera behovet av skrymmande, heta mikrovågskablar för att kontrollera qubit-tillstånd.
Samma enheter som används för kontroll kan användas för avläsning av qubit-tillstånd eller för att skapa direktlänkar för att omvandla känslig kvantinformation till starka ljuspaket mellan kvantdatornoder. Genombrottet tar oss närmare en värld med supraledande kvantprocessorer som är anslutna till optiska nätverk med låg förlust och hög effekt.
”Nästa steg för vår transducer kan vara tillförlitlig generering och distribution av sammanflätning mellan mikrovågs-qubits med hjälp av ljus”, säger Lončar.
Harvard-teamet kombinerade sin expertis inom optiska system med medarbetare på Rigetti Computing, som tillhandahöll de supraledande qubit-plattformar i aluminium på kisel som forskarna testade sin omvandlare på och kartlade olika experiment. Andra samarbetspartners kom från University of Chicago och Massachusetts Institute of Technology.
Tillverkningen av chipen utfördes vid Harvards Center for Nanoscale Systems, som är medlem i National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network.
Mer information om projektet: Coherent control of a superconducting qubit using light, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02812-0
