MIT-Forscher entwickeln neue Methode zur Verstärkung von Quantensignalen bei gleichzeitiger Reduzierung des Rauschens

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Forscher des MIT haben einen Weg gefunden, Quantensignale zu verstärken und gleichzeitig Umgebungsgeräusche zu reduzieren, indem sie einen Prozess namens "Squeezing" verwenden.

By Kenna Hughes-Castleberry gepostet am 27

Aufgrund der Zerbrechlichkeit und Empfindlichkeit der Qubits innerhalb eines Quantencomputers sind Umwelteinflüsse Lärm ist ein Schlüsselfaktor für die Aufrechterhaltung der Integrität des gesamten Systems. Da dieses Rauschen die Analyse und das Auslesen durch einen Quantencomputer beeinträchtigen kann, versuchen Ingenieure und Wissenschaftler auf der ganzen Welt, Wege zu finden, um dieses Rauschen zu verringern und gleichzeitig das aktuelle Kommunikationsniveau zwischen Qubits aufrechtzuerhalten. Jüngste Forschungsprojekte für MIT schlägt eine mögliche neue Methode zur Rauschkontrolle vor, während Quantensignale verstärkt werden, indem ein Prozess verwendet wird, der als bekannt ist Quetschen. Mit ihren Ergebnissen veröffentlicht in Naturphysik, Die Forscher hoffen, dass das Quetschen zur Herstellung robusterer Komponenten für einen Quantencomputer genutzt werden kann.

Squeezing buchstabieren

Laut Erstautor und MIT-Doktorand Jack Quiu, Squeezing funktioniert, indem das Umgebungsrauschen von einer Variablen auf eine andere Variable umverteilt wird, so dass die Gesamtmenge an Rauschen gleich ist, es ist nur weniger bei einem Parameter. Wie Qiu weiter erklärte: „Eine Quanteneigenschaft, die als Heisenbergsche Unschärferelation bekannt ist, erfordert, dass während des Verstärkungsprozesses eine minimale Menge an Rauschen hinzugefügt wird, was zu der sogenannten „Standard-Quantengrenze“ des Hintergrundrauschens führt. Ein spezielles Gerät namens a Josephson Der parametrische Verstärker kann das zusätzliche Rauschen reduzieren, indem er es unter die Grundgrenze ‚drückt‘, indem er es effektiv an anderer Stelle umverteilt.“

Diese Umverteilung ist besonders hilfreich, wenn sich die Forscher auf einen bestimmten Parameter im System konzentrieren. „Quanteninformationen werden in den konjugierten Variablen dargestellt, zum Beispiel die Amplitude und Phase elektromagnetischer Wellen“, fügte Qiu hinzu. „Allerdings müssen Forscher in vielen Fällen nur eine dieser Variablen – die Amplitude oder die Phase – messen, um den Quantenzustand des Systems zu bestimmen. In diesen Fällen können sie das Rauschen "quetschen": indem sie es für eine Variable, sagen wir, die Amplitude, verringern, während sie es für die andere, in diesem Fall, die Phase, anheben. Die Gesamtmenge an Rauschen bleibt aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation gleich. Dennoch kann seine Verteilung so geformt werden, dass weniger verrauschte Messungen an einer der Variablen möglich sind.“

Squeezing im System implementieren und Quantensignale verstärken

In ihrem Experiment konzentrierten sich Qiu und sein Team auf die Verwendung eines neuen Gerätetyps, um das Quetschen auszulösen. „In dieser Arbeit stellen wir einen neuen Typ eines parametrischen Josephson-Wanderwellenverstärkers (JTWPA) mit Dispersionstechnik vor, der zum Quetschen entwickelt wurde“, sagte Qiu. „Das Gerät umfasst viele Josephson-Übergänge [Übergänge mit supraleitenden Strömen] in Reihe und periodisch geladene Phasenanpassungsresonatoren, um den Betrieb mit zwei Pumpen zu unterstützen.“ Mit diesem Gerät konnten die Forscher ihr gesamtes System feinabstimmen, sodass Photonen zu stärkeren und stärker verstärkten Quantensignalen kombiniert werden konnten. Die Ergebnisse, die sie mit diesem neuen Gerät und experimentellen Aufbau fanden, waren aufregend. „Diese Architektur ermöglichte es [den Quantensignalen], die Rauschleistung um einen Faktor 10 unter die fundamentale Quantengrenze zu reduzieren, während sie mit einer Verstärkungsbandbreite von 3.5 Gigahertz arbeiteten“, erklärte Qiu. „Dieser Frequenzbereich ist fast zwei Größenordnungen höher als bei früheren Geräten. Unser Gerät demonstriert auch die Breitbanderzeugung verschränkter Photonenpaare, die es Forschern ermöglichen könnten, Quanteninformationen effizienter mit einem viel höheren Signal-Rausch-Verhältnis auszulesen.“

Da die aktuelle Entwicklung von Quantencomputern daran arbeitet, Quantensignale zwischen Qubits zu verbessern und gleichzeitig das Umgebungsrauschen zu verringern, könnten die Ergebnisse dieses Experiments von Bedeutung sein. Da Qiu und sein Team diesen Prozess weiter erforschen, hoffen sie, dass ihre Arbeit andere in der Quantenindustrie beeinflussen kann. Wie Qiu sagte: „Es hat ein enormes Potenzial, wenn man es auf andere Quantensysteme anwendet – als Schnittstelle mit einem Qubit-System, um die Auslesung zu verbessern, oder um Qubits zu verschränken, oder um den Betriebsfrequenzbereich des Geräts zu erweitern, der zur Erkennung und Verbesserung von Dunkler Materie verwendet werden kann seine Detektionseffizienz.“

Kenna Hughes-Castleberry ist Mitarbeiterin bei Inside Quantum Technology und Science Communicator bei JILA (eine Partnerschaft zwischen der University of Colorado Boulder und NIST). Ihre Beats beim Schreiben umfassen Deep Tech, Metaverse und Quantentechnologie.