Charge Qubits får et tusindfold boost – Physics World

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Kunstnerens repræsentation af ladningsqubits, der viser to kugler - en grøn, en blå - svævende over en chip — Keeping quantum: Kunstnerens gengivelse af to ladningsqubits med lang sammenhængstid og stærk kobling. (Med høflighed: Dafei Jin/Argonne National Laboratory og University of Notre Dame)

Forskere i USA har forbedret kohærenstiden for ladningskvantebits (qubits) med en faktor på 1000 takket være fremskridt i de materialer, der bruges til at konstruere dem. Ledet af Dafei Jin fra Argonne Center for Nanoscale Materials og david schuster fra Stanford University og University of Chicago viste det multi-institutionelle team også, at det var muligt at udlæse tilstanden af disse qubits med en nøjagtighed på 98.1 % – en værdi, som Jin siger, vil stige yderligere ved hjælp af mere sofistikerede udlæsningsteknologier.

Kohærenstid er af afgørende betydning inden for kvanteberegning, da den angiver, hvor længe en qubit kan forblive i en superposition af flere tilstande, før miljøstøj får den til at dekohere eller miste sin kvantenatur. I denne periode kan en kvantecomputer udføre komplekse beregninger, som klassiske computere ikke kan.

Mange kvantesystemer kan fungere som qubits. Spin-qubits koder for eksempel kvanteinformation i spin af en elektron eller kerne, som kan være op, ned eller en superposition af de to. Ladningsqubits repræsenterer på deres side kvanteinformation gennem tilstedeværelsen eller fraværet af overskydende ladning på en elektron indeholdt i qubitsystemet. De er relativt nye – medlemmer af holdet oprettet den første i 2022 – og Jin siger, at de har flere fordele i forhold til spin-qubits.

"Opladnings-qubits tillader typisk meget hurtigere driftshastigheder, fordi ladninger kobler stærkt sammen med elektriske felter," forklarer han. "Dette er fordelagtigt i forhold til spin-qubits, fordi spins kobler svagt sammen med magnetiske felter. Charge qubit-enheder er generelt meget nemmere at fremstille og betjene, fordi de fleste eksisterende fremstillings- og driftsinfrastrukturer er baseret på ladninger og elektriske felter i stedet for spins og magnetiske felter. De kan ofte gøres mere kompakte.”

Ultraclean er ultrastøjsvag

Jin forklarer, at forskerne skabte deres ladningsqubits ved at fange en elektron i en kvanteprik, som er en samling af atomer på nanoskala, der opfører sig som en enkelt kvantepartikel. Kvanteprikken hviler på en overflade lavet af massiv neon og er placeret i et vakuum.

Ifølge Jin er dette ultrarene miljø nøglen til eksperimentets succes. Neon, som en ædelgas, vil ikke danne kemiske bindinger med andre grundstoffer. Faktisk, som holdet påpeger i en Naturfysik papir om forskningen, vil neon i et miljø med lav temperatur og næsten vakuum kondensere til et ultrarent semi-kvante fast stof uden alt, hvad der kunne introducere støj i qubitten. Denne mangel på støj gjorde det muligt for holdet at øge sammenhængstiden for ladningsqubitten fra de 100 nanosekunder, der er typiske for tidligere anstrengelser, til 100 mikrosekunder.

Hvad mere er, læser forskerne tilstanden af disse qubits op med 98.1% troskab uden at bruge en kvantebegrænset forstærker, som Jin beskriver som "en speciel enhed placeret ved meget lav temperatur (i vores tilfælde 10 millikelvin), der kan forstærke svage elektromagnetiske signaler, men medbringe næsten nul termisk støj". Fordi sådanne enheder forbedrer udlæsningsevnen, er det, siger Jin, særligt imponerende at opnå 98.1 % troskab uden dem. "I vores fremtidige eksperimenter, når vi først bruger dem, kan vores udlæsningstrohed kun blive meget højere," tilføjer han.

Den næste milepæl

Mens en tusind gange stigning i kohærenstid allerede er en stor forbedring i forhold til tidligere charge qubit-systemer, forventer forskerne endnu mere i fremtiden. Ifølge Jin tyder holdets teoretiske beregninger på, at ladnings-qubit-systemet kan nå en sammenhængstid på 1-10 millisekunder, hvilket repræsenterer en anden faktor på 10-100 forbedringer i forhold til nuværende værdier. For at indse dette bliver forskere dog nødt til at få bedre kontrol over alle aspekter af eksperimentet, fra enhedsdesign og fremstilling til qubit-kontrol.

Silicium spin qubits fremstillet i industriel skala

Ud over det fortsætter Jin og kolleger med at lede efter måder at forbedre systemet endnu mere på.

"Den største milepæl næste er at vise, at to ladningsqubits kan vikles sammen," siger Jin. ”Vi har arbejdet på det og har haft en masse fremskridt. Når vi har opnået det, er vores qubit-platform klar til universel kvanteberegning, selvom en vis detaljeret ydeevne kan blive ved med at blive forbedret."