Nowy typ lasera pomoże zbudować komputery kwantowe

Lasery znamy od kilkudziesięciu lat, a urządzenia te stały się wszechobecne. Współczesne lasery świetnie sprawdzają się w większości zastosowań, ale wciąż nie satysfakcjonują fizyków kwantowych. Ci potrzebują niewielkiego, precyzyjnego i efektywnie działającego lasera mikrofalowego, który pracowałby w warunkach bardzo niskiej temperatury.

Naukowcy z Uniwersytetu w Delft pracujący pod kierunkiem profesora Leo Kouwenhovena zaprezentowali właśnie mikrofalowy laser na chipie, który wykorzystuje tunelowanie Josephsona. Zbudowali go z łącza Josephsona precyzyjnie umieszczonego we wnęce rezonansowej na chipie. Dzisiejsze lasery są bardzo nieefektywne pod względem energetycznym, rozpraszają podczas pracy dużo ciepło, a to oznacza, że bardzo trudno jest je wykorzystać w środowiskach kriogenicznych, takich w jakich powinny pracować komputery kwantowe.

W niskotemperaturowych nadprzewodnikach występuje wspomniane wcześniej tunelowanie Josephsona. Polega ono na tym, że jeśli nadprzewodnik przedzielimy niewielką barierą, to ładunki elektryczne będą się przez nią tunelowały na bardzo charakterystycznej częstotliwości, którą można manipulować za pomocą prądu elektrycznego. Złącze Josephsona jest więc świetnym konwerterem częstotliwości.

Zespół Kouwenhovena połączył złącze Josephsona z wnęką rezonansową o wysokiej jakości. Gdy do złącza zostanie dostarczony prąd, zaczyna ono emitować fotony o częstotliwości mikrofalowej. Fotony te odbijają się od wnęki i wymuszają na złączu emisję kolejnych fotonów, zsynchronizowanych z już istniejącymi fotonami. Po schłodzeniu urządzenia do temperatury poniżej 1 Kelvina i podłączeniu niewielkiego prądu stałego naukowcy zaobserwowali, że ich urządzenie emituje koherentny strumień fotonów w częstotliwości mikrofalowej. Całość okazała się bardziej wydajna pod względem energetycznym i bardziej stabilna niż tradycyjne lasery. Do zasilenia urządzenia wystarczył mniej niż pikowat.

Wydajne źródła wysokiej jakości koherentego światła są bardzo ważne dla prac nad komputerem kwantowym. Już teraz mikrofale są wykorzystywane do odczytu i przenoszenia informacji, korygowania błędów czy kontrolowania poszczególnych elementów komputerów kwantowych. Jednak obecnie wykorzystywane źródła mikrofal są drogie i mało wydajne. Dlatego też tak ważne jest osiągnięcie uczonych z Delft.

laser mikrofala komputer kwantowy