- Cornell University พัฒนาเทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยเลเซอร์แบบใหม่ เพิ่มประสิทธิภาพการคำนวณควอนตัม
- เทคโนโลยีใหม่สามารถทำให้ไอออนใกล้สถานะควอนตัมพื้นฐานภายใน 150 ไมโครวินาที ความเร็วเป็นสามเท่าของแบบดั้งเดิม
- วิธีการนี้สามารถทำให้ไอออนเย็นลงในสามโหมดการเคลื่อนไหวพร้อมกัน ลดการรบกวนในการคำนวณ
- การวิจัยแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีฟอตอนิกส์แบบรวมสามารถปรับปรุงการควบคุมไอออนที่ถูกจับ ช่วยพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม
นักวิจัยจาก Cornell University ได้พัฒนาเทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยเลเซอร์ที่อิงจากชิป ซึ่งสามารถทำให้ไอออนที่ถูกจับอยู่ใกล้สถานะควอนตัมพื้นฐานภายในเวลาเพียง 150 ไมโครวินาที ซึ่งอาจลดขวดแก้วเวลาที่สำคัญในกระบวนการคำนวณควอนตัม วิธีการนี้มีความเร็วประมาณสามเท่าของการตั้งค่าเลเซอร์แบบดั้งเดิม ซึ่งใช้เวลาประมาณ 500 ไมโครวินาที นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังสามารถทำให้ไอออนเย็นลงในสามโหมดการเคลื่อนไหวพร้อมกัน โดยไม่ต้องทำการทำความเย็นแยกสำหรับแต่ละโหมด การวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีฟอตอนิกส์แบบรวมสามารถปรับปรุงการควบคุมไอออนที่ถูกจับ ช่วยให้นักวิจัยสามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ขึ้นได้
การวิจัยนี้นำโดยผู้ช่วยศาสตราจารย์ Karan Mehta แห่งภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของวิทยาลัยวิศวกรรม Duffy ของ Cornell University
ความท้าทายและแนวทางแก้ไขของเทคโนโลยีการทำความเย็น
การทำความเย็นชะลอการดำเนินการของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้ไอออนที่ถูกจับ ซึ่งใช้อะตอมที่มีประจุที่ได้รับผลกระทบจากสนามไฟฟ้าในการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมเหล่านี้มีความแม่นยำทำให้เป็นผู้สมัครที่มีแนวโน้มในด้านการคำนวณควอนตัม แต่การเคลื่อนไหวของอะตอมที่ไม่จำเป็นอาจรบกวนการคำนวณ นักวิจัยต้องใช้เลเซอร์ซ้ำเพื่อกำจัดการเคลื่อนไหวเหล่านี้ และทำให้ไอออนเย็นลงถึงสถานะพลังงานที่ต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ กระบวนการทำความเย็นเหล่านี้อาจใช้เวลาส่วนใหญ่ในการดำเนินการของคอมพิวเตอร์ควอนตัม Mehta กล่าวว่าการทำความเย็น โดยเฉพาะการทำความเย็นถึงสถานะควอนตัมพื้นฐาน ได้กลายเป็นขวดแก้วหลักที่ครอบงำระบบไอออนที่ถูกจับ
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมงานจาก Cornell ได้พัฒนาวิธีการควบคุมลำแสงเลเซอร์อย่างแม่นยำไปยังชิปจับไอออนที่ผลิตด้วยไมโคร โดยใช้ส่วนประกอบออพติคอลแบบรวม
การทดลองและการประยุกต์ใช้วิธีการใหม่
นักวิจัยได้ปล่อยลำแสงเลเซอร์สองลำในทิศทางตรงกันข้าม สร้างคลื่นนิ่ง ซึ่งเป็นรูปแบบที่มีพื้นที่ความเข้มสูงและต่ำสลับกัน พวกเขาได้วางไอออนแคลเซียมที่ถูกจับไว้ในจุดความเข้มต่ำหรือโหนด เพื่อยับยั้งปฏิสัมพันธ์ของแสงที่ไม่จำเป็น ในขณะที่ทำให้การเคลื่อนไหวของไอออนเย็นลงและป้องกันไม่ให้ไอออนร้อนขึ้น การรวมกันของคลื่นนิ่งนี้เร่งกระบวนการทำความเย็น ทีมงานได้รวมการตั้งค่าออพติคัลนี้เข้ากับเทคนิคการทำความเย็นที่เรียกว่า Electromagnetically Induced Transparency (EIT) ทำให้การเคลื่อนไหวที่ต้องการใกล้สถานะควอนตัมพื้นฐานภายในเวลาประมาณ 150 ไมโครวินาที ในขณะที่การใช้การตั้งค่าเลเซอร์คลื่นวิ่งแบบดั้งเดิมใช้เวลาประมาณ 500 ไมโครวินาที
การทดลองยังแสดงให้เห็นถึงการทำความเย็นพร้อมกันในสามโหมดการเคลื่อนไหว ครอบคลุมประมาณ 5 เมกะเฮิร์ตซ์ โหมดเป้าหมายมีค่าเฉลี่ยการครอบครองโฟนอนประมาณ 0.05 ในขณะที่นักวิจัยได้ทำให้โหมดการวัดใกล้สถานะพื้นฐาน ผลลัพธ์ยังแสดงให้เห็นว่าการทำความเย็นต่ำกว่าขีดจำกัด Doppler แบบดั้งเดิม การทดลองนี้ยืนยันการคาดการณ์ทางทฤษฎีที่มีมายาวนาน
ส่วนสำคัญของวิธีการนี้คือระบบการส่งผ่านออพติคัลแบบรวม ชิปสามารถนำทางความยาวคลื่นหลายชนิด ตั้งแต่แสงอัลตราไวโอเลตไปจนถึงแสงใกล้อินฟราเรด ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการควบคุมไอออน ทีมงานยังได้พัฒนาบรรจุภัณฑ์ที่ทำให้สามารถใช้งานอุปกรณ์ในอุณหภูมิต่ำได้ ชิปเหล่านี้ผลิตในเชิงพาณิชย์ในประเทศเนเธอร์แลนด์ และทำงานร่วมกับ ETH Zurich ในขณะที่สิ่งอำนวยความสะดวกของ Cornell ช่วยเตรียมอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง
การขยายคอมพิวเตอร์ไอออนที่ถูกจับในการสาธิตนี้เกี่ยวข้องกับไอออนแคลเซียมเพียงตัวเดียว แทนที่จะเป็นโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มีไอออนหลายตัว อย่างไรก็ตาม นักวิจัยกล่าวว่าวิธีการนี้สามารถนำไปใช้กับระบบไอออนที่ถูกจับขนาดใหญ่กว่า การรวมส่วนประกอบออพติคัลเข้ากับอุปกรณ์จับไอออน อาจลดความซับซ้อนของการตั้งค่าเลเซอร์ภายนอกที่จำเป็นสำหรับการขยายโปรเซสเซอร์ควอนตัมไปยังควอนตัมบิตมากขึ้น การทำความเย็นที่รวดเร็วข้ามหลายโหมดการเคลื่อนไหวยังสามารถลดเวลาที่ใช้ในการเตรียมไอออนสำหรับการดำเนินการควอนตัม นักวิจัยกล่าวว่างานนี้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นเพื่อขยายคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถปรับปรุงการดำเนินการพื้นฐานที่ระบบเหล่านี้พึ่งพาได้
การวิจัยนี้เผยแพร่ใน PRX Quantum
ผลกระทบของเทคโนโลยีการทำความเย็นแบบใหม่ต่อการคำนวณควอนตัม
การพัฒนาการคำนวณควอนตัมได้รับผลกระทบจากเทคโนโลยีการทำความเย็น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการจัดการไอออนที่ถูกจับ ทีมวิจัยจาก Cornell University ได้ใช้เทคโนโลยีฟอตอนิกส์แบบรวมเพื่อลดเวลาในการทำความเย็น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการคำนวณควอนตัม เทคโนโลยีใหม่ไม่เพียงแต่เร่งกระบวนการทำความเย็น แต่ยังสามารถจัดการโหมดการเคลื่อนไหวหลายโหมดพร้อมกัน แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการขยายคอมพิวเตอร์ควอนตัม ผลลัพธ์ของการวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ให้แนวทางแก้ไขใหม่สำหรับการคำนวณควอนตัม แต่ยังอาจผลักดันการสร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ในอนาคต