Японски изследователи за първи път предаваха фотони от десет неутрални атома едновременно по десет отделни оптични канала, създавайки многоканален интерфейс за връзка между квантови процесори. Разработката на Университета в Осака, NICT и Hamamatsu Photonics може да се превърне в основа за модулни квантови компютри, при които няколко процесора се обединяват чрез оптични линии, вместо да се прави опит всички кубити да бъдат поместени в една машина.

В експеримента учените работиха с десет атома на рубидий-87, задържани с оптични пинцети на разстояние 7,5 микрометра един от друг. Фотоните, излъчвани от всеки атом бяха насочвани към отделен канал на стъклен фотонен чип. Изследователите са използвали 10 от общо 32-та налични канала и след това са пренасяли светлината по обикновена матрица от оптични влакна.

Основната трудност се е състоеше в това да се присвои на всеки атом собствен оптичен канал и да се предотврати смесването на сигналите. На входа на вълноводите разстоянието между тях е 25 микрометра, поради което оптичната система увеличаваше изображението на атомната решетка 3,33 пъти, преобразувайки разстоянието от 7,5 микрометра между атомите в необходимите 25 микрометра. Авторите съобщават, че кръстосаните смущения между каналите са се оказали пренебрежимо малки.

Фотоните с дължина на вълната 780 нанометра бяха регистрирани от свръхпроводящи нанолентови еднофотонни детектори, разработени с участието на NICT и Hamamatsu Photonics. В експерименталната установка бяха използвани десет канала от 12-канална система за детекция. Ефективността на отделните детектори варираше от 75 до 94%, а честотата на тъмните импулси оставаше под 50 на секунда.

Експериментът показа не само предаване на светлина по десет линии. Изследователите регистрираха корелация между квантовото състояние на атомите и поляризацията на излъчените фотони с видимост 0,87. Авторите считат резултата за потвърждение, че архитектурата може да се използва за паралелно създаване на заплитане между атоми и фотони, необходимо за свързване на отделни квантови процесори. Все още не е демонстрирана напълно функционираща мрежа от няколко квантови компютъра.

Предишните експерименти с неутрални атоми позволяваха насочването на единични фотони по около четири или пет канала. Изследователите свързват увеличаването до десет канала с използването на интегрален фотонен чип, в който вълноводите могат да се разположат значително по-гъсто, отколкото отделните оптични влакна. Университетът в Осака и NICT определят 10-каналната схема като световен рекорд за подобен интерфейс.

Многоканалната връзка е необходима поради мащаба на бъдещите квантови машини, устойчиви на откази. В неутрално-атомните системи един атом играе ролята на физически кубит, а масивите могат да съдържат хиляди атоми. Разработчиците на проекта смятат, че в бъдеще универсалният квантов компютър с корекция на грешките може да се нуждае от над един милион физически кубити, затова един от вариантите за мащабиране предвижда обединяването на множество процесори чрез фотонни канали.

Засега екипът е демонстрирал само десет паралелни линии. Изследователите разчитат да разширят архитектурата до около сто канала благодарение на по-плътна интеграция на вълноводите, но такъв мащаб все още не е демонстриран експериментално. Като следващ етап екипът посочва увеличаването на броя на едновременно работещите канали и директното свързване на отделни квантови процесори върху неутрални атоми.