Tým amerických vědců představil mikroskopický optický modulátor, který může radikálně změnit vývoj kvantových počítačů. Zařízení tenké jako zlomek lidského vlasu zvládá s extrémní přesností řídit světlo – klíčový nástroj pro manipulaci s kvantovými informacemi.
Jednou z velkých překážek pro to, aby se kvantové počítače staly praktickými nástroji, však byla škálovatelnost: jak přejít od experimentálních prototypů o několika desítkách qubitů ke strojům s tisíci nebo miliony qubitů. Nedávný průlom slibuje, že se tomuto cíli přiblíží. Jedná se o ultrakompaktní optický modulátor navržený tak, aby ovládal světlo s mimořádnou přesností, a to vše na čipu vyrobeném stejnými technikami, které se používají k výrobě běžných mikročipů.
Práce, kterou vedli Jake Freedman a Matt Eichenfield ve spolupráci s národními laboratořemi Sandia, byla publikována v časopise Nature a popisuje zařízení, které by na první pohled mohlo být považováno za další elektronickou součástku. Pod mikroskopem však odhaluje něco zcela jiného: integrovanou fotonickou a mechanickou strukturu, která kombinuje světlo a vibrace v měřítku nanometrů. V podstatě se jedná o malou laboratoř optiky a mikrovln vtěsnanou do nepatrné plochy, která má sloužit jako stavební kámen budoucích kvantových počítačů a pokročilých komunikačních systémů.
Ultratenký optický modulátor jako radikální alternativa
Kvantový vývoj často vyžaduje rozměrné a drahé vybavení s nároky na energii, které jej odsouvají do vysoce specializovaných laboratoří. Stolní lasery, optické stoly plné zrcadel a čoček a kryogenní chladničky, které spotřebovávají obrovské množství energie, jsou v mnoha experimentech stále normou. Nová technologie pod vedením Freedmana a Eichenfielda nabízí radikální alternativu. Tým vytvořil optický modulátor, který je téměř 100krát tenčí než lidský vlas a spotřebuje 80krát méně mikrovlnného výkonu než mnoho současných komerčních modulátorů, přičemž přesně řídí fázi laserového paprsku, což je zásadní funkce pro manipulaci se světelnými qubity nebo uvězněnými atomy.
Související článek
Pro představu o měřítku: lidský vlas je obvykle silný 50 až 100 mikrometrů. Nové zařízení má tloušťku přibližně jeden mikrometr, tj. v rozmezí jedné tisíciny milimetru. Navzdory své nepatrné velikosti je schopno plnit úkoly, které dosud vyžadovaly centimetr tlusté externí moduly a výkonnou elektroniku. Tato miniaturizace není jen technickou kuriozitou: jde o takové zmenšení rozměrů a spotřeby energie, které kdysi umožnilo přejít od prvních ventilových počítačů k dnešním notebookům a chytrým telefonům.
Zjednodušeně řečeno, modulátor funguje jako „regulátor rychlosti“ světla: s mimořádnou přesností upravuje fázi světelných pulzů a generuje nové frekvence světla pro řízení kvantových operací. Fáze, kterou si lze představit jako „polohu“ vlny v jejím cyklu nahoru a dolů, je klíčová pro kódování a zpracování kvantové informace. Tento typ řízení je zvláště důležitý v architekturách využívajících neutrální atomy nebo uvězněné ionty, kde každý qubit vyžaduje velmi přesné řízení laserového světla, kterého bylo dosud možné dosáhnout pouze pomocí velkých a složitých zařízení.
Například v platformách s neutrálními atomy jsou qubity jednotlivé atomy zavěšené v prostoru pomocí laserových paprsků a tvoří pole, která mohou připomínat „matrici“ svítících bodů. K samostatné manipulaci s každým atomem – změně jeho kvantového stavu, provázání s ostatními nebo čtení jeho informací – je zapotřebí velmi specifických a přesně řízených frekvencí světla. Totéž platí pro ionty uvězněné v elektromagnetickém poli: malé změny frekvence nebo fáze světla mohou znamenat rozdíl mezi správnou kvantovou operací a chybou.
Integrace místo laboratorního lesa zařízení
Dosud generování a modulace všech těchto frekvencí vyžadovaly kombinaci laserů, externích modulátorů a radiofrekvenční elektroniky, vše rozmístěné v laboratorních stojanech. Nový čip ukazuje, že část této složitosti lze integrovat přímo do jediného fotonického zařízení, čímž se drasticky sníží prostor, spotřeba energie a náklady na jeden řídicí kanál.
Nejrevolučnější na tomto přístupu není jen jeho velikost, ale i způsob jeho výroby. Zařízení využívá k manipulaci se světlem vibrace na mikrovlnných frekvencích, které oscilují miliardakrát za sekundu, a to technologií CMOS, tedy stejnou technologií, která se používá k výrobě procesorů a čipů v počítačích, telefonech a automobilech.
CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) je standardní technologií v polovodičovém průmyslu. Používá se k výrobě milionů nebo miliard prakticky identických tranzistorů na obrovských křemíkových destičkách. Využití stejné infrastruktury k výrobě fotonických zařízení – jako je Freedmanův a Eichenfieldův modulátor – znamená, že namísto ruční výroby každé optické součástky by se mohly vyrábět hromadně se stejnou spolehlivostí a opakovatelností jako běžné elektronické čipy.
Fonicko-fotonický krystal: Srdce zařízení
Srdcem zařízení je struktura zvaná fonicko-fotonický krystal. Zjednodušeně řečeno se jedná o mikroskopický obrazec v materiálu, který je navržen tak, aby současně omezoval světlo (fotony) a mechanické vibrace (fonony) ve stejné oblasti čipu. Díky těsnému propojení těchto dvou typů vln umožňuje zařízení malým mikrovlnným signálem velmi účinně modifikovat světlo procházející zařízením. Tento jev je znám jako elektrooptická modulace s podporou fononů a je jedním z klíčů k vysoké energetické účinnosti čipu.
„Technologie CMOS je nejlépe škálovatelná technologie, jakou kdy lidé vynalezli. Takže v budoucnu můžeme vyrábět tisíce nebo dokonce miliony identických verzí našich fotonických zařízení, což je přesně to, co bude kvantová výpočetní technika potřebovat,“ říká Eichenfield.
To má obrovské důsledky. Místo toho, aby se spoléhalo na objemné a drahé zakázkové systémy, by modulátory mohly být integrovány do rozsáhlých fotonických obvodů spolu s dalšími optickými součástkami, jako jsou filtry, děliče paprsků, vlnovody nebo generátory pulzů, které by se vyráběly standardními polovodičovými procesy. Cílem je podle Freedmana „přiblížit se skutečně škálovatelné fotonické platformě schopné ovládat velmi velké množství qubitů„.
V praxi by to znamenalo, že by se jednalo o fotonické čipy typu „vše v jednom“, které by byly schopné generovat, řídit, modulovat a detekovat světlo a ovládat tak tisíce qubitů paralelně. Každý čip by mohl obsahovat pole modulátorů, jako je ten vyvinutý týmem, spolu s dalšími optickými prvky, a připojit se k běžné elektronice, která by přijímala instrukce na vysoké úrovni. Tímto způsobem by ovládání kvantového počítače již nebylo závislé na lese drátů a externích zařízení, ale bylo by soustředěno do několika kompaktních modulů.
Proč je tento průlom klíčový pro kvantové počítače
Proč je tento průlom tak důležitý? Kvantové počítačové architektury založené na světle (nebo využívající světlo k manipulaci s atomovými qubity) mají potenciál překonat některá omezení tradičních přístupů založených na supravodičích nebo izolovaných iontových pastích, zejména pokud jde o přesné řízení, rychlost a paralelismus.
Supravodivé kvantové počítače – například ty, které vyvinuly společnosti Google, IBM nebo Rigetti – dosáhly pozoruhodného pokroku, ale vyžadují teploty blízké absolutní nule a velmi složitou řídicí elektroniku. Platformy s uvězněnými ionty naproti tomu nabízejí vysoce kvalitní qubity, ale škálování na tisíce iontů v jednom systému zůstává obrovskou technickou výzvou. V obou případech se úzkým místem stává „kvantové vedení“ – způsob přenosu řídicích signálů ke každému qubitu.
Světlem řízené fotonové a atomární architektury nabízejí alternativu: informace jsou přenášeny a manipulovány fotony, které mohou cestovat na velké vzdálenosti s malými ztrátami a bez nutnosti extrémního chlazení. Doposud však bylo problémem, že potřebné optické komponenty bylo obtížné miniaturizovat a škálovat. Tento nový modulátor ukazuje, že je možné navrhnout kompaktní, účinná a masově vyrobitelná fotonická zařízení, čímž se přiblížíme vizi praktického kvantového počítače.
Zařízení navíc není určeno pouze pro výpočetní techniku. Jeho schopnost řízeně generovat nové frekvence světla z něj činí cenný nástroj pro kvantové sítě, kde různé uzly – kvantové počítače, senzory nebo opakovače – potřebují komunikovat pomocí fotonů, které se často musí přizpůsobovat různým přenosovým oknům (například telekomunikačním pásmům používaným v optických vláknech). Takový účinný modulátor by mohl fungovat jako „překladač“ mezi frekvencemi a usnadnit propojení heterogenních kvantových systémů.
Energetická účinnost a schopnost integrovat mnoho takových modulátorů na jeden čip navíc otevírají dveře nejen větším kvantovým počítačům, ale také pokročilým kvantovým sítím, kvantovým komunikačním systémům a vysoce přesným senzorům, které jsou založeny na řízené manipulaci se světlem.
V kvantové komunikaci se například fotony používají k distribuci kryptografických klíčů, které nelze bez detekce zkopírovat, což je oblast známá jako kvantová distribuce klíčů (QKD). Aby tyto sítě mohly být integrovány do stávajících telekomunikačních infrastruktur, jsou zapotřebí zařízení schopná modulovat a převádět světelné frekvence s vysokou stabilitou a nízkým šumem. Modulátor, jako je ten, který vyvinul tým Sandia, by mohl snížit velikost a náklady na zařízení QKD, čímž by se tato technologie přiblížila širšímu komerčnímu využití.
V oblasti senzorů je schopnost tak přesně řídit fázi a frekvenci světla klíčová pro techniky, jako je interferometrie, která se používá k měření posunů, magnetických polí nebo extrémně malých změn gravitace. Integrace ultrakompaktních modulátorů do fotonických čipů by umožnila přenosné kvantové senzory pro lékařské, geologické, navigační a další aplikace.
Směrem k další fotonické revoluci
V širším smyslu představuje tato inovace krok k tomu, co někteří nazývají další fotonickou revolucí, podobně jako tranzistor elektrifikoval elektroniku ve 20. století. Stejně jako integrace milionů tranzistorů na jeden čip dala vzniknout mikroprocesorům a s nimi i moderním počítačům, mohla by masivní integrace fotonických komponent – laserů, modulátorů, detektorů – v příštích desetiletích změnit způsob, jakým zpracováváme a přenášíme informace.
Samozřejmě zůstávají značné výzvy. Freedmanův a Eichenfieldův modulátor je klíčovým prvkem, ale ne jediným potřebným. Vytvoření rozsáhlých fotonických kvantových počítačů vyžaduje také spolehlivé zdroje jednotlivých fotonů, kvantové paměti, ultrarychlé detektory a protokoly pro opravu chyb schopné kompenzovat nevyhnutelné nedokonalosti jakéhokoli fyzikálního zařízení. Integrace všech těchto prvků do jediného čipu při zachování kvantového výkonu je navíc inženýrský problém, který ještě zdaleka není zcela vyřešen.
Historie mikroelektroniky však nabízí optimistický precedens. Ve svých počátcích byly tranzistory také izolovanými zařízeními, vyráběnými téměř ručně a s omezeným výkonem. Postupem času vedla kombinace pokroků v oblasti materiálů, konstrukce a výrobních procesů k integrovaným obvodům a později k systémům na čipu. Mnozí odborníci se domnívají, že integrovaná fotonika – integrace více optických komponent na jednom čipu – by mohla jít podobnou cestou a že zařízení, jako je tento modulátor, jsou prvními kroky tímto směrem.
Kvantová technologie jako průmyslový ekosystém
Nakonec, i když se velké kvantové počítače teprve budují, pokroky, jako je tento ultrakompaktní optický modulátor, naznačují, že „kvantová technologie“ nebude jen souborem izolovaných laboratoří, ale ekosystémem škálovatelných a vyrobitelných zařízení, která mohou kvantové počítače přivést do hmatatelnější budoucnosti. Schopnost vyrábět tyto čipy pomocí standardních procesů CMOS znamená, že pokud poptávka poroste, průmysl již má nástroje k jejich masové výrobě.
Je možné, že za několik let budou velké kvantové systémy vypadat méně jako dnešní experimenty plné stolní optiky a více jako serverové skříně se specializovanými fotonickými moduly, propojenými optickými vlákny a řízenými běžnou elektronikou. V takovém případě by zařízení jako Freedmanův a Eichenfieldův modulátor byla stejně běžná a nenápadná, jako jsou dnes tranzistory v procesoru: pro koncového uživatele neviditelná, ale naprosto nezbytná, aby vše fungovalo.
Tento průlom ukazuje, že hranice mezi klasickou elektronikou a kvantovou fotonikou se stírá. Ukazuje také, že budoucnost kvantové výpočetní techniky, která zdaleka není jen exotickým experimentem, by mohla být mnohem blíže výrobním linkám čipů než laboratořím plným zrcadel a laserů, jak si je obvykle představujeme.