Charge Qubits Get A Thousand-fold Boost – Physics World

Publisert av Platon

Følgere: 0

Kunstnerens representasjon av ladningsqubits, som viser to kuler - en grønn, en blå - som svever over en brikke — Keeping quantum: Kunstnerens gjengivelse av to ladningsqubits med lang koherenstid og sterk kobling. (Med tillatelse: Dafei Jin/Argonne National Laboratory og University of Notre Dame)

Forskere i USA har forbedret koherenstiden til ladningskvantebiter (qubits) med en faktor på 1000 takket være fremskritt i materialene som ble brukt til å konstruere dem. Ledet av Dafei Jin fra Argonne Center for Nanoscale Materials og David schuster ved Stanford University og University of Chicago, viste det multiinstitusjonelle teamet også at det var mulig å lese ut tilstanden til disse qubitene med en nøyaktighet på 98.1 % – en verdi som Jin sier vil øke ytterligere ved hjelp av mer sofistikerte avlesningsteknologier.

Koherenstid er svært viktig innen kvanteberegning, da den angir hvor lenge en qubit kan forbli i en superposisjon av flere tilstander før miljøstøy får den til å dekohere, eller miste sin kvantenatur. I løpet av denne perioden kan en kvantedatamaskin utføre komplekse beregninger som klassiske datamaskiner ikke kan.

Mange kvantesystemer kan fungere som qubits. Spinn-qubits koder for eksempel kvanteinformasjon i spinnet til et elektron eller en kjerne, som kan være opp, ned eller en superposisjon av de to. Ladnings-qubits representerer på sin side kvanteinformasjon gjennom tilstedeværelse eller fravær av overflødig ladning på et elektron inneholdt i qubit-systemet. De er relativt nye – medlemmer av teamet skapte den første i 2022 – og Jin sier at de har flere fordeler fremfor spinn-qubits.

"Lade-qubits tillater vanligvis mye raskere driftshastighet fordi ladninger kobles sterkt sammen med elektriske felt," forklarer han. "Dette er fordelaktig i forhold til spinn-qubits fordi spinn kobles svakt sammen med magnetiske felt. Charge qubit-enheter er generelt mye enklere å fremstille og betjene, fordi de fleste eksisterende fabrikasjons- og driftsinfrastrukturer er basert på ladninger og elektriske felt, i stedet for spinn og magnetiske felt. De kan ofte gjøres mer kompakte.»

Ultraclean er ultrastille

Jin forklarer at forskerne skapte ladningsqubitene deres ved å fange et elektron i en kvanteprikk, som er en samling av atomer på nanoskala som oppfører seg som en enkelt kvantepartikkel. Kvanteprikken hviler på en overflate laget av solid neon og er plassert i et vakuum.

Ifølge Jin er dette ultrarene miljøet nøkkelen til eksperimentets suksess. Neon, som en edelgass, vil ikke danne kjemiske bindinger med andre grunnstoffer. Faktisk, som laget påpeker i en Naturfysikk artikler om forskningen, vil neon i et miljø med lav temperatur og nesten vakuum kondensere til et ultrarent semikvantefast stoff uten alt som kan introdusere støy i qubiten. Denne mangelen på støy gjorde det mulig for teamet å øke koherenstiden til ladningsqubiten fra de 100 nanosekunder som er typiske for tidligere forsøk, til 100 mikrosekunder.

Dessuten leser forskerne ut tilstanden til disse qubitene med 98.1 % troskap uten å bruke en kvantebegrenset forsterker, som Jin beskriver som "en spesiell enhet plassert ved svært lav temperatur (i vårt tilfelle 10 millikelvin) som kan forsterke svake elektromagnetiske signaler, men bringe inn nesten null termisk støy". Fordi slike enheter forbedrer avlesningsevnen, er det spesielt imponerende å oppnå 98.1 % troskap uten dem, sier Jin. "I våre fremtidige eksperimenter, når vi først bruker dem, kan avlesningstroheten vår bare bli mye høyere," legger han til.

Den neste milepælen

Mens en tusen ganger økning i koherenstid allerede er en stor forbedring i forhold til tidligere charge qubit-systemer, forventer forskerne enda mer i fremtiden. Ifølge Jin antyder teamets teoretiske beregninger at ladnings-qubit-systemet kan nå en koherenstid på 1-10 millisekunder, noe som representerer en annen faktor på 10-100 forbedring i forhold til gjeldende verdier. For å innse dette, må forskere imidlertid få bedre kontroll over alle aspekter av eksperimentet, fra enhetsdesign og fabrikasjon til qubit-kontroll.

Silisiumspinn-qubits produsert i industriell skala

Utover det fortsetter Jin og kollegene å lete etter måter å forbedre systemet enda mer på.

"Den største milepælen neste er å vise at to ladningsqubits kan vikles sammen," sier Jin. – Vi har jobbet med det og har hatt mye fremgang. Når vi har oppnådd det, er qubit-plattformen vår klar for universell kvanteberegning, selv om en viss detaljert ytelse kan fortsette å bli forbedret."