Charge Qubits Get A Thousand-fold Boost – Physics World

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Artistieke weergave van ladingsqubits, met twee bollen (een groene en een blauwe) die over een chip zweven — Quantum behouden: artistieke weergave van twee ladingsqubits met een lange coherentietijd en sterke koppeling. (Met dank aan: Dafei Jin/Argonne National Laboratory en de Universiteit van Notre Dame)

Onderzoekers in de VS hebben de coherentietijd van geladen kwantumbits (qubits) met een factor 1000 verbeterd dankzij de vooruitgang in de materialen die zijn gebruikt om ze te construeren. Geleid door Dafei Jin van het Argonne Centrum voor Materialen op Nanoschaal en David Schuster van Stanford University en de Universiteit van Chicago liet het multi-institutionele team ook zien dat het mogelijk was om de toestand van deze qubits uit te lezen met een betrouwbaarheid van 98.1% – een waarde die volgens Jin verder zal stijgen met behulp van meer geavanceerde uitleestechnologieën.

Coherentietijd is van cruciaal belang binnen quantum computing, omdat het aangeeft hoe lang een qubit in een superpositie van meerdere toestanden kan blijven voordat omgevingsgeluid ervoor zorgt dat deze decohereert of zijn kwantumkarakter verliest. Gedurende deze periode kan een kwantumcomputer complexe berekeningen uitvoeren die klassieke computers niet kunnen.

Veel kwantumsystemen kunnen als qubits fungeren. Spinqubits coderen bijvoorbeeld kwantuminformatie in de spin van een elektron of kern, die omhoog, omlaag of een superpositie van de twee kan zijn. Ladingsqubits vertegenwoordigen op hun beurt kwantuminformatie door de aan- of afwezigheid van overtollige lading op een elektron dat zich in het qubit-systeem bevindt. Het zijn relatief nieuwe leden van het team creëerde de eerste in 2022 – en Jin zegt dat ze verschillende voordelen hebben ten opzichte van spinqubits.

“Oplaadqubits maken doorgaans een veel snellere werking mogelijk, omdat ladingen sterk gekoppeld zijn aan elektrische velden”, legt hij uit. “Dit is voordelig ten opzichte van spinqubits, omdat spins zwak koppelen aan magnetische velden. Charge qubit-apparaten zijn over het algemeen veel gemakkelijker te fabriceren en te bedienen, omdat de meeste bestaande fabricage- en exploitatie-infrastructuren gebaseerd zijn op ladingen en elektrische velden, in plaats van op spins en magnetische velden. Vaak kunnen ze compacter gemaakt worden.”

Ultraclean is ultrastil

Jin legt uit dat de onderzoekers hun ladingsqubits creëerden door een elektron op te vangen in een kwantumdot, een verzameling atomen op nanoschaal die zich gedraagt als een enkel kwantumdeeltje. De kwantumdot rust op een oppervlak van massief neon en wordt in een vacuüm geplaatst.

Volgens Jin is deze ultraschone omgeving de sleutel tot het succes van het experiment. Neon vormt als edelgas geen chemische bindingen met andere elementen. In feite, zoals het team aangeeft in a Natuurfysica In een artikel over het onderzoek zal neon in een omgeving met lage temperatuur en bijna vacuüm condenseren tot een ultrazuivere semi-kwantumvaste stof, verstoken van alles wat ruis in de qubit zou kunnen introduceren. Door dit gebrek aan ruis kon het team de coherentietijd van de oplaadqubit verhogen van de 100 nanoseconden die typisch waren voor eerdere pogingen tot 100 microseconden.

Bovendien lezen de onderzoekers de staat van deze qubits af 98.1% betrouwbaarheid zonder gebruik te maken van een kwantumgelimiteerde versterker, die Jin omschrijft als “een speciaal apparaat geplaatst bij een zeer lage temperatuur (in ons geval 10 millikelvin) dat zwakke elektromagnetische signalen kan versterken maar vrijwel geen thermische ruis binnenbrengt”. Omdat dergelijke apparaten het uitleesvermogen verbeteren, is het verkrijgen van een betrouwbaarheid van 98.1% zonder deze apparaten volgens Jin bijzonder indrukwekkend. "In onze toekomstige experimenten kan onze uitleesnauwkeurigheid, als we ze eenmaal gebruiken, alleen maar veel hoger worden", voegt hij eraan toe.

De volgende mijlpaal

Hoewel een duizendvoudige toename van de coherentietijd al een grote verbetering is ten opzichte van eerdere laadqubitsystemen, verwachten de onderzoekers in de toekomst nog meer. Volgens Jin suggereren de theoretische berekeningen van het team dat het charge qubit-systeem een coherentietijd van 1-10 milliseconden zou kunnen bereiken, wat een verbetering van een factor 10-100 ten opzichte van de huidige waarden betekent. Om dit te realiseren zullen wetenschappers echter betere controle moeten krijgen over elk aspect van het experiment, van het ontwerp en de fabricage van apparaten tot qubit-controle.

Silicium spin-qubits vervaardigd op industriële schaal

Daarnaast blijven Jin en collega's zoeken naar manieren om het systeem nog verder te verbeteren.

“De grootste mijlpaal hierna is om aan te tonen dat twee ladingsqubits met elkaar verstrengeld kunnen zijn”, zegt Jin. “Daar hebben we aan gewerkt en er is veel vooruitgang geboekt. Zodra we dat hebben bereikt, is ons qubit-platform klaar voor universele kwantumcomputing, ook al kunnen sommige gedetailleerde prestaties nog steeds worden verbeterd.”