Цялата оптика на квантовия компютър върху един чип. SmaraQ съкращава километри огледала и лещи в кристал с дебелина колкото нокът

Успешното интегриране на фотониката в чиповете ще опрости прехода от прототипите към комерсиалните системи.

Германия стартира още един важен проект в областта на квантовите изчисления. Това е инициативата SmaraQ, в която учени и инженери се опитват да прехвърлят оптичното управление директно върху чипа. Това цели да направи йонните квантови компютри компактни, по-надеждни и мащабируеми. За проекта отговарят QUDORA Technologies GmbH, AMO GmbH и Фраунхоферският институт IAF. Тяхната обща цел е да заменят обемистите системи от огледала и лещи с интегрирана фотоника, която може да насочва ултравиолетова светлина към кубитите с точност до нанометри.

Днешните квантови компютри с йонни капани са изградени на базата на сложна оптична система. Всеки йон, който играе ролята на кубит, трябва да бъде много прецизно осветен от лазер, за да се инициализира, охлади и извърши операциите. Докато има малко кубити, това е приемливо. Но ако става дума за стотици и хиляди кубити, изграждането на отделни оптични канали за тях става твърде сложно. Това се счита за една от основните пречки за мащабиране на такива системи.

Вместо това SmaraQ предлага да се използват интегрирани вълноводи и фотонни компоненти на базата на алуминиев нитрид (AlN) и алуминиев оксид (Al₂O₃). Тези материали позволяват да се направят тънки канали върху кристала, през които ултравиолетовата светлина преминава директно към желания йон. Това означава, че светлината се доставя не през свободно пространство и набор от оптични устройства, а вътре в структурата на чипа. Това драстично намалява размера на системата, увеличава стабилността и я прави по-малко чувствителна към външни фактори.

Ръководителят на отдела по фотоника в QUDORA д-р Майк Шелер обясни, че интеграцията в чипа е естественият начин за разработване на йонни квантови компютри. Той заяви, че компанията разработва вълноводни структури, които са десетки хиляди пъти по-тънки от човешки косъм. Те доставят светлината точно там, където в момента се намира йонният кубит. Този подход не само опростява оптичната част, но и открива възможността за производство на квантови процесори на същите полупроводникови линии, на които се произвеждат конвенционалните чипове. Това е важна стъпка към масовото производство на квантови технологии.

Проектът се основава на разделение на компетенциите. QUDORA координира работата и отговаря за начина, по който фотониката ще бъде включена в тяхната архитектура на квантов компютър с йонен капан. Компанията разработва своя собствена NFQC технология, която се фокусира върху високата кохерентност на кубитите и прецизния контрол. Fraunhofer IAF поема материалите и създава висококачествени тънки филми от алуминиев нитрид, върху които се изграждат фотонните клетки. AMO GmbH използва своя опит в нанообработката и литографията, за да пренесе всичко това върху кристала под формата на реални устройства. В резултат на това в Германия се създава верига за доставка на ключови компоненти за квантови компютри. Това осигурява технологична независимост и намалява рисковете от външни ограничения.

Името SmaraQ не е избрано случайно. То се отнася до колибри, което може да вижда ултравиолетова светлина и се характеризира с прецизни движения. По този начин авторите на проекта наблягат на идеята за миниатюризация и висока прецизност на оптичния контрол върху чипа. Точно това липсва на сегашните йонни квантови системи.

Проектът е с период на изпълнение от 2025 г. до 2028 г. и се финансира от Германското федерално министерство на научните изследвания, технологиите и космоса в рамките на Програмата за развитие на квантовите технологии. Той е част от по-широките усилия на Германия и Европа да завоюват силни позиции в областта на квантовите изчисления, като същевременно запазят производството и критичните компоненти в региона.

Най-уязвимата част от йонните квантови компютри е оптичният достъп до кубитите, тъй като техният брой нараства. SmaraQ просто затваря този проблем чрез интегрирана оптика. Ако проектът се окаже успешен, Германия ще разполага с работещ образец за промишлено производство на квантови процесори. Това ще доближи прехода от лабораторните инсталации към системи, които могат да се поставят в центровете за данни и да се вграждат в реални услуги.