کوبیت‌های شارژ هزار برابر افزایش می‌یابند - دنیای فیزیک

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

نمایش هنرمند از کیوبیت‌های بار، که دو کره را نشان می‌دهد - یکی سبز، دیگری آبی - که روی یک تراشه شناور هستند. — Keeping quantum: رندر هنرمند از دو کیوبیت شارژ با زمان انسجام طولانی و جفت شدن قوی. (با احترام: آزمایشگاه ملی دافی جین/آرگون و دانشگاه نوتردام)

محققان در ایالات متحده به لطف پیشرفت در مواد مورد استفاده در ساخت آنها، زمان انسجام بیت‌های کوانتومی بار (کیوبیت) را تا ضریب 1000 بهبود بخشیده‌اند. به رهبری دافی جین مرکز آرگون برای مواد نانومقیاس و دیوید شوستر از دانشگاه استنفورد و دانشگاه شیکاگو، تیم چند مؤسسه ای همچنین نشان داد که خواندن وضعیت این کیوبیت ها با وفاداری 98.1 درصد امکان پذیر است - مقداری که جین می گوید با کمک فن آوری های خواندن پیچیده تر، بیشتر افزایش می یابد.

زمان انسجام در محاسبات کوانتومی بسیار مهم است، زیرا نشان می‌دهد که چه مدت یک کیوبیت می‌تواند در برهم‌نهی چندین حالت باقی بماند، قبل از اینکه نویز محیطی باعث دکوهره شدن یا از دست دادن ماهیت کوانتومی آن شود. در این دوره، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند محاسبات پیچیده ای را انجام دهد که کامپیوترهای کلاسیک نمی توانند.

بسیاری از سیستم های کوانتومی می توانند به عنوان کیوبیت عمل کنند. برای مثال، کیوبیت‌های اسپین، اطلاعات کوانتومی را در اسپین یک الکترون یا هسته رمزگذاری می‌کنند که می‌تواند بالا، پایین یا برهم‌نهی این دو باشد. به نوبه خود، کیوبیت‌های بار، اطلاعات کوانتومی را از طریق وجود یا عدم وجود بار اضافی روی یک الکترون موجود در سیستم کیوبیت نشان می‌دهند. آنها نسبتاً جدید هستند - اعضای تیم اولین را ایجاد کرد در سال 2022 - و جین می گوید آنها چندین مزیت نسبت به کیوبیت های اسپین دارند.

او توضیح می‌دهد: «کیوبیت‌های شارژ معمولاً سرعت عملیات بسیار سریع‌تری را امکان‌پذیر می‌کنند، زیرا بارها به شدت با میدان‌های الکتریکی جفت می‌شوند. این نسبت به کیوبیت‌های اسپین سودمند است، زیرا اسپین‌ها با میدان‌های مغناطیسی ضعیف می‌شوند. به طور کلی ساخت و کارکرد دستگاه های شارژ کیوبیت بسیار آسان تر است، زیرا بیشتر زیرساخت های ساخت و عملیات موجود بر اساس بارها و میدان های الکتریکی است تا اسپین ها و میدان های مغناطیسی. اغلب می توان آنها را فشرده تر کرد.»

Ultraclean فوق العاده آرام است

جین توضیح می‌دهد که محققان کیوبیت‌های بار خود را با به دام انداختن یک الکترون در یک نقطه کوانتومی، که مجموعه‌ای از اتم‌ها در مقیاس نانو است که مانند یک ذره کوانتومی واحد عمل می‌کند، ایجاد کردند. نقطه کوانتومی بر روی یک سطح ساخته شده از نئون جامد قرار دارد و در خلاء قرار می گیرد.

به گفته جین، این محیط فوق تمیز کلید موفقیت آزمایش است. نئون به عنوان یک گاز نجیب با سایر عناصر پیوند شیمیایی ایجاد نمی کند. در واقع، همانطور که تیم در a فیزیک طبیعت مقاله در مورد تحقیق، نئون در یک محیط با دمای پایین و نزدیک به خلاء به یک جامد نیمه کوانتومی فوق‌خالص متراکم می‌شود و فاقد هر چیزی است که می‌تواند نویز وارد کیوبیت کند. این کمبود نویز تیم را قادر ساخت تا زمان انسجام کیوبیت شارژ را از 100 نانوثانیه معمولی تلاش های قبلی به 100 میکروثانیه افزایش دهند.

علاوه بر این، محققان وضعیت این کیوبیت ها را با آنها مطالعه کردند 98.1 درصد وفاداری بدون استفاده از تقویت‌کننده‌های محدود کوانتومی، که جین آن را به‌عنوان «دستگاه ویژه‌ای که در دمای بسیار پایین (در مورد ما 10 میلی‌کلوین) قرار می‌گیرد، توصیف می‌کند که می‌تواند سیگنال‌های الکترومغناطیسی ضعیف را تقویت کند اما نویز حرارتی تقریباً صفر ایجاد می‌کند». جین می گوید از آنجایی که چنین دستگاه هایی توانایی خواندن را افزایش می دهند، به دست آوردن 98.1 درصد وفاداری بدون آن ها بسیار چشمگیر است. او می‌افزاید: «در آزمایش‌های آینده‌مان، هنگامی که از آنها استفاده می‌کنیم، وفاداری خواندن ما فقط می‌تواند بسیار بالاتر رود.

نقطه عطف بعدی

در حالی که افزایش هزار برابری زمان انسجام در حال حاضر یک پیشرفت بزرگ نسبت به سیستم‌های کیوبیت شارژ قبلی است، محققان در آینده انتظار بیشتری دارند. به گفته جین، محاسبات نظری تیم نشان می‌دهد که سیستم کیوبیت شارژ می‌تواند به زمان انسجام 1 تا 10 میلی‌ثانیه برسد، که نشان‌دهنده عامل دیگری از بهبود 10-100 نسبت به مقادیر فعلی است. با این حال، برای درک این موضوع، دانشمندان باید کنترل بهتری بر هر جنبه ای از آزمایش، از طراحی و ساخت دستگاه گرفته تا کنترل کیوبیت، به دست آورند.

کیوبیت های اسپین سیلیکونی تولید شده در مقیاس صنعتی

فراتر از آن، جین و همکارانش همچنان به دنبال راه هایی برای بهبود بیشتر سیستم هستند.

جین می‌گوید: «بزرگ‌ترین نقطه عطف بعدی این است که نشان دهیم دو کیوبیت شارژ را می‌توان با هم در هم تنید. ما روی آن کار کرده ایم و پیشرفت زیادی داشته ایم. هنگامی که این کار را انجام دادیم، پلت فرم کیوبیت ما برای محاسبات کوانتومی جهانی آماده است، حتی اگر برخی عملکردهای دقیق همچنان بهبود یابد.