I ricercatori del MIT sviluppano un nuovo modo per amplificare i segnali quantistici riducendo al contempo il rumore

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I ricercatori del MIT hanno trovato un modo per potenziare i segnali quantistici riducendo al contempo il rumore ambientale utilizzando un processo chiamato "spremitura".

By Kenna Hughes-Castleberry pubblicato il 27 febbraio 2023

A causa della fragilità e della sensibilità dei qubit all'interno di un computer quantistico, ambientale rumore è un fattore chiave per mantenere l'integrità dell'intero sistema. Poiché questo rumore può influenzare l'analisi e la lettura da parte di un computer quantistico, ingegneri e scienziati di tutto il mondo stanno cercando di trovare modi per ridurre questo rumore mantenendo gli attuali livelli di comunicazione tra i qubit. Recente riparazioni da CON suggerisce un possibile nuovo metodo di controllo del rumore aumentando i segnali quantistici utilizzando un processo noto come spremitura. Con i loro risultati pubblicati in Fisica della natura, i ricercatori sperano che la compressione possa essere utilizzata per creare componenti più robusti per un computer quantistico.

Ortografia Spremere

Secondo il primo autore e studente laureato del MIT Jack Qiu, la compressione funziona ridistribuendo il rumore ambientale da una variabile a un'altra variabile, in modo che la quantità totale di rumore sia la stessa, è solo inferiore su un parametro. Come ha spiegato ulteriormente Qiu: “Una proprietà quantistica nota come Principio di indeterminazione di Heisenberg richiede l'aggiunta di una quantità minima di rumore durante il processo di amplificazione, portando al cosiddetto 'limite quantistico standard' del rumore di fondo. Tuttavia, un dispositivo speciale chiamato a Giuseppeson l'amplificatore parametrico può ridurre il rumore aggiunto "spremendolo" al di sotto del limite fondamentale ridistribuendolo efficacemente altrove.

Questa ridistribuzione è particolarmente utile quando i ricercatori si concentrano su un parametro specifico nel sistema. "Le informazioni quantistiche sono rappresentate nelle variabili coniugate, ad esempio l'ampiezza e la fase delle onde elettromagnetiche", ha aggiunto Qiu. “Tuttavia, in molti casi, i ricercatori devono solo misurare una di queste variabili – l'ampiezza o la fase – per determinare lo stato quantico del sistema. In questi casi, possono "spremere il rumore": abbassandolo per una variabile, ad esempio l'ampiezza, aumentandolo per l'altra, in questo caso la fase. La quantità totale di rumore rimane la stessa a causa del principio di incertezza di Heisenberg. Tuttavia, la sua distribuzione può essere modellata in modo che siano possibili misurazioni meno rumorose su una delle variabili».

Implementazione della compressione nel sistema e potenziamento dei segnali quantistici

Nel loro esperimento, Qiu e il suo team si sono concentrati sull'utilizzo di un nuovo tipo di dispositivo per avviare la spremitura. "In questo lavoro, introduciamo un nuovo tipo di amplificatore parametrico Josephson a onda mobile (JTWPA) progettato per la compressione", ha affermato Qiu. "Il dispositivo comprende molte giunzioni Josephson [giunzioni contenenti correnti superconduttive] in serie e risonatori di corrispondenza di fase caricati periodicamente per supportare il funzionamento a doppia pompa". Con questo dispositivo, i ricercatori hanno potuto mettere a punto il loro intero sistema, consentendo ai fotoni di combinarsi in segnali quantistici più forti e più amplificati. I risultati che hanno trovato con questo nuovo dispositivo e la configurazione sperimentale sono stati entusiasmanti. "Questa architettura ha consentito [ai segnali quantistici] di ridurre la potenza del rumore di un fattore 10 al di sotto del limite quantico fondamentale durante il funzionamento con 3.5 gigahertz di larghezza di banda di amplificazione", ha spiegato Qiu. “Questa gamma di frequenze è quasi due ordini di grandezza superiore rispetto ai dispositivi precedenti. Il nostro dispositivo dimostra anche la generazione a banda larga di coppie di fotoni entangled, che potrebbe consentire ai ricercatori di leggere le informazioni quantistiche in modo più efficiente con un rapporto segnale-rumore molto più elevato».

Poiché l'attuale sviluppo dei computer quantistici sta lavorando per migliorare i segnali quantistici tra i qubit riducendo al contempo il rumore ambientale, i risultati di questo esperimento potrebbero essere importanti. Mentre Qiu e il suo team continuano a ricercare questo processo, sperano che il loro lavoro possa influenzare altri nel settore quantistico. Come ha detto Qiu: "Ha un enorme potenziale se lo applichi ad altri sistemi quantistici: interfacciarsi con un sistema qubit per migliorare la lettura, o per entangle qubit, o estendere la gamma di frequenza operativa del dispositivo da utilizzare nel rilevamento della materia oscura e migliorare la sua efficienza di rilevamento.”

Kenna Hughes-Castleberry è una scrittrice presso Inside Quantum Technology e Science Communicator presso JILA (una partnership tra l'Università del Colorado Boulder e il NIST). I suoi ritmi di scrittura includono la tecnologia profonda, il metaverso e la tecnologia quantistica.