🔬 applied physics

Comparing optical-microwave conversion and all-microwave control schemes for a transmon qubit

Dit artikel toont aan dat een optisch-microgolf conversiesysteem voor transmon-qubitcontrole geen meetbaar negatief effect heeft op de coherentie van de qubit ten opzichte van conventionele microgolfmethoden, waardoor grootschalige integratie mogelijk wordt.

Oorspronkelijke auteurs: Volodymyr Monarkha, Massimo Borrelli, Reza Hajitashakkori Kenari, Mohammad Kobba, Eugenio Cataldo, Beer de Zoeten, Mahnaz Zarrinfar, Kamal Pandey, Abhinand Pusuluri, Filippo D. Michelacci, Eliot Jouan

Gepubliceerd 2026-03-20

📖 3 min leestijd☕ Koffiepauze-leesvoer

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Volodymyr Monarkha, Massimo Borrelli, Reza Hajitashakkori Kenari, Mohammad Kobba, Eugenio Cataldo, Beer de Zoeten, Mahnaz Zarrinfar, Kamal Pandey, Abhinand Pusuluri, Filippo D. Michelacci, Eliot Jouan, Bennett Sprague, Simon Groeblacher, Thierry C. van Thiel, Robert Stockill, Russell E. Lake

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je voor dat je een heel groot, supergevoelig orkest wilt dirigeren. De muzikanten zijn de qubits (de hersencellen van een kwantumcomputer) en ze zitten in een ijskoude, stiltevolle kamer (de koelkast) die kouder is dan de ruimte zelf. Om de muziek te spelen, moet je ze precies aansturen.

Deze wetenschappelijke paper vergelijkt twee manieren om die muzieknoten naar de muzikanten te sturen:

1. De oude manier: De "dikke koperen kabel"

Stel je voor dat je een enorme, dikke slang (een coaxkabel) van buiten de kamer naar binnen leidt. Aan het einde van die slang zit een luidspreker die de signalen afspeelt.

Het probleem: Die dikke slang is niet alleen een weg voor geluid, maar ook een warmtebril. Warmte uit de buitenwereld loopt langs die slang naar binnen, net zoals warmte door een open raam naar een airco-kamer stroomt. Hoe meer muzikanten je hebt (hoe meer qubits), hoe meer slangen je nodig hebt, en hoe warmer de kamer wordt. Als het te warm wordt, stoppen de muzikanten met spelen (de computer faalt).

2. De nieuwe manier: De "lichtstraal"

In plaats van een dikke slang, gebruiken de onderzoekers een laserstraal die door een heel dun glasvezelkabeltje gaat.

Hoe het werkt: Buiten de kamer (op kamertemperatuur) wordt de muziek omgezet in flitsen licht. Dit licht reist door de glasvezel naar binnen.
De magische transformatie: Zodra het licht de koude kamer bereikt, zit er een klein apparaatje (een fotodiode) op de 1K-stage (een tussenstap in de koeling). Dit apparaatje fungeert als een tolk: het vangt de lichtflitsen op en zet ze direct om terug naar de elektrische signalen die de qubit nodig heeft.
Het voordeel: Glasvezels geleiden bijna geen warmte. Het is alsof je de ramen dichthoudt en alleen een heel dunne draadje gebruikt om een briefje door te geven.

Wat hebben ze ontdekt?

De onderzoekers hebben een experiment gedaan om te kijken of deze nieuwe "licht-methode" de muzikanten (de qubits) verstoort.

De test: Ze hebben 20 uur lang gekeken of de qubits net zo goed bleven spelen (hun "coherentie") met de lichtmethode als met de oude kabelmethode.
Het resultaat: Het was precies hetzelfde. De qubits met de lichtmethode waren net zo stabiel en speelden net zo lang door als die met de kabels. Er was geen merkbare verslechtering.
De warmte-check: Ze berekenden hoeveel warmte de lichtmethode toevoegt. Hoewel het apparaatje dat het licht omzet iets warmte genereert, is dit te managen. Sterker nog, als je dit systeem op grote schaal toepast (bijvoorbeeld voor duizenden qubits), is de nieuwe methode waarschijnlijk koeler voor de hele machine dan de oude methode met al die dikke kabels.

Waarom is dit belangrijk?

Stel je voor dat je een stad wilt bouwen met miljoenen huizen.

Met de oude methode (kabels) zou je voor elk huis een enorme warmtepijp nodig hebben. De stad zou oververhit raken en de energie zou op zijn.
Met de nieuwe methode (licht) kun je duizenden huizen bedienen met dunne glasvezels. De stad blijft koel en kan groeien.

Conclusie in het kort:
De onderzoekers hebben bewezen dat je kwantumcomputers kunt besturen met licht in plaats van met kabels, zonder dat de computer slechter gaat werken. Dit opent de deur om in de toekomst enorme, schaalbare kwantumcomputers te bouwen die niet oververhit raken. Het is alsof we zijn overgestapt van het sturen van post per vrachtwagen naar het sturen van e-mails: veel sneller, schoner en schaalbaarder.

Titel: Vergelijking van optisch-microgolf-conversie en volledig microgolf-besturingsschema's voor een transmon-qubit

Auteurs: Volodymyr Monarkha et al. (Bluefors Oy en QphoX B.V.)
Datum: 20 maart 2026

1. Het Probleem

De schaalbaarheid van kwantumcomputers wordt momenteel beperkt door de uitdaging om een groot aantal qubits te controleren en te meten. Traditionele methoden maken gebruik van dichte coaxiale kabels die door de koelkast lopen. Dit leidt tot twee hoofdproblemen:

Thermische last: Elke coaxiale kabel voert warmte naar de koudste stadia van de verdampingskoelkast (dilution refrigerator), wat de koelcapaciteit voor de qubits beperkt.
Bandbreedte en bedrading: Het fysiek installeren van duizenden coaxiale kabels is technisch complex en beperkt de maximale qubit-dichtheid.

Optische vezels bieden een oplossing met een verwaarloosbare passieve warmtebelasting en potentieel enorme bandbreedte voor multiplexing. Echter, het gebruik van licht voor qubit-besturing introduceert nieuwe uitdagingen:

Warmtegeneratie: Het conversieproces van optische naar microgolfsignalen (via fotodiodes) genereert warmte.
Stralingsruis: Hoogfrequente straling (fotonen met energie boven de paarbrekende energie van supergeleiders) kan de coherentie van de qubit verstoren en energieverlies veroorzaken.

De vraag is of een optisch besturingssysteem de qubit-coherentie (levensduur en fase) negatief beïnvloedt ten opzichte van een traditionele volledig microgolf-opstelling, en of het thermisch haalbaar is voor grootschalige integratie.

2. Methodologie

De auteurs hebben een vergelijkende studie uitgevoerd binnen dezelfde koelcyclus (cooldown) in een Bluefors LD400 verdampingskoelkast, waarbij een transmon-qubit (X-mon, vast frequentie) werd gebruikt.

Opstelling:
- Configuratie A (Optisch): Besturings- en uitleessignalen worden gegenereerd bij kamertemperatuur, gemoduleerd op een 1510 nm laser, en via single-mode optische vezels naar de koelkast geleid. Bij het "Still"-stadium (ongeveer 1 K) worden de signalen gedemoduleerd door een array van snelle fotodiodes om microgolfpulsen te genereren die de qubit aansturen.
- Configuratie B (All-Microgolf): Dezelfde qubit wordt aangestuurd via een traditionele, geattenuerde coaxiale lijn.
- Vergelijking: Beide systemen werden afwisselend gebruikt voor dezelfde qubit om directe vergelijking mogelijk te maken.
Meetprocedures:
- Er werden herhaalde metingen uitgevoerd over een periode van 20 uur.
- Gemeten parameters: Energie-relaxatietijd ( $T_1$ ) en Ramsey-coherentietijd ( $T_2^*$ ).
- Geanalyseerde data: Statistische verdelingen (histogrammen) van $T_1$ en $T_2^*$ , evenals de stabiliteit van de signaalbron (laserpower vs. microgolfvermogen).
Thermische Simulatie:
- Er werden thermische simulaties uitgevoerd voor een grootschalig systeem (Bluefors XLD1000s) met 840 besturingslijnen en 168 uitleeslijnen.
- Drie scenario's werden vergeleken: (1) Alleen coax, (2) Optisch + coax (normale geleiders), en (3) Optisch + supergeleidende coax.

3. Belangrijkste Bijdragen

Eerste directe vergelijking: Een experimentele validatie van een optisch-microgolf conversiesysteem tegen een volledig microgolf-systeem voor transmon-qubits binnen dezelfde thermische omgeving.
Kwantificering van ruis: Een schatting van de effectieve ruis-temperatuur die door de fotodiode-setup wordt geïntroduceerd.
Schaalbaarheidsanalyse: Een gedetailleerde thermische analyse van de impact van optische vezels op de koelcapaciteit van een toekomstige, grootschalige kwantumcomputer.

4. Resultaten

Coherentie en Prestatie:
- Er werd geen meetbaar verschil gevonden in de qubit-coherentie tussen de optische en de microgolf-besturing.
- De gemiddelde pure dephasing-tijd ( $T_\phi$ ) was 65 µs voor optische besturing en 64 µs voor microgolf-besturing.
- De variatie in meetresultaten viel binnen de natuurlijke statistische fluctuaties van het systeem. Dit suggereert dat het optische systeem de qubit niet extra verstoort door ruis of straling.
Stabiliteit:
- De laserpower bleek extreem stabiel gedurende meer dan 20 uur, zelfs beter dan de conventionele microgolfbron. Er was geen significante drift in de rotatiehoeken van de qubit-pulsen.
Thermische Analyse en Ruis:
- De gemeten $T_1$ en $T_2^*$ waarden waren lager dan in eerdere metingen zonder fotodiode (waar $T_\phi \approx 120$ µs was). De auteurs schatten dat de fotodiode-setup een equivalente ruis-temperatuur introduceert van ongeveer 24 K (gecorrigeerd voor demping), wat waarschijnlijk veroorzaakt wordt door thermische straling die door de optische vezel lekt, en niet door de warmte van de fotodiode zelf tijdens de puls.
- Thermische last: Bij een simulatie voor 1008 lijnen veroorzaakte het optische systeem een extra warmtebelasting van ongeveer 14 mW op het "Still"-stadium (door de optische vermogensdissipatie in de fotodiodes). Hoewel dit hoger is dan de standaardverwarming voor het Still-stadium, is het haalbaar door de koelcapaciteit van de koelkast aan te passen (hogere heliumstroom).
- Voordeel: Het optische systeem reduceert de thermische last op de koudere stadia (CP en MXC) aanzienlijk in vergelijking met coaxiale kabels, vooral wanneer supergeleidende coax wordt gebruikt voor de laatste fase.

5. Betekenis en Conclusie

De studie toont aan dat optische besturing van transmon-qubits een realistische en schaalbare route is voor de toekomst van kwantumcomputing.

Kwaliteit: De kwaliteit van de qubit-controle (coherentie) lijdt niet onder het gebruik van optische vezels en fotodiodes.
Schaalbaarheid: Hoewel de optische conversie warmte genereert op het 1K-stadium, is dit thermisch te managen door de koelcapaciteit van de koelkast te optimaliseren. Het grootste voordeel is de drastische reductie van warmtegeleiding naar de millikelvin-stadia (waar de qubits zitten), wat essentieel is voor systemen met duizenden qubits.
Toekomstvisie: De auteurs concluderen dat hybride systemen (optische vezels naar het 1K/4K-stadium, gevolgd door conversie naar microgolf en supergeleidende coax naar de qubit) de weg vrijmaken voor grootschalige integratie van kwantumprocessors, mits de koelinfrastructuur wordt aangepast aan de specifieke warmtebelasting van de optische componenten.

Kortom: Optische besturing is thermisch en qua coherentie een gelijkwaardig, en voor grote systemen mogelijk superieur, alternatief voor traditionele coaxiale bedrading.