Kubity ładunkowe zyskują tysiąckrotne zwiększenie – Świat Fizyki

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Artystyczna reprezentacja kubitów ładunku, przedstawiająca dwie kule – jedną zieloną, drugą niebieską – unoszące się nad chipem — Utrzymanie kwantowości: artystyczna wizja dwóch kubitów ładunkowych o długim czasie koherencji i silnym sprzężeniu. (Dzięki uprzejmości: Laboratorium Narodowe Dafei Jin/Argonne i Uniwersytet Notre Dame)

Naukowcy z USA poprawili czas koherencji bitów kwantowych ładunku (kubitów) 1000-krotnie dzięki postępowi w materiałach użytych do ich budowy. Prowadzone przez Dafei Jina Centrum Argonne ds. Materiałów w Nanoskali i Dawid Schuster z Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu w Chicago wieloinstytucjonalny zespół wykazał również, że możliwe jest odczytanie stanu tych kubitów z dokładnością do 98.1% – wartość ta, zdaniem Jin, będzie jeszcze większa dzięki bardziej wyrafinowanym technologiom odczytu.

Czas koherencji jest niezwykle ważny w obliczeniach kwantowych, ponieważ określa, jak długo kubit może pozostawać w superpozycji wielu stanów, zanim szum otoczenia spowoduje jego dekoherencję, czyli utratę swojej kwantowej natury. W tym okresie komputer kwantowy może wykonywać złożone obliczenia, których nie potrafią klasyczne komputery.

Wiele układów kwantowych może działać jako kubity. Na przykład kubity spinowe kodują informację kwantową w spinie elektronu lub jądra, który może być skierowany w górę, w dół lub może stanowić superpozycję obu spinów. Z kolei kubity ładunkowe reprezentują informację kwantową poprzez obecność lub brak nadmiaru ładunku na elektronie zawartym w układzie kubitów. Są stosunkowo nowi – członkowie zespołu stworzył pierwszy w 2022 r. – a Jin twierdzi, że mają one kilka zalet w porównaniu z kubitami spinowymi.

„Kubity ładunkowe zazwyczaj pozwalają na znacznie większą prędkość działania, ponieważ ładunki silnie łączą się z polami elektrycznymi” – wyjaśnia. „Jest to korzystne w porównaniu z kubitami spinowymi, ponieważ spiny słabo łączą się z polami magnetycznymi. Urządzenia z kubitami ładunkowymi są na ogół znacznie łatwiejsze w produkcji i obsłudze, ponieważ większość istniejącej infrastruktury produkcyjnej i operacyjnej opiera się na ładunkach i polach elektrycznych, a nie na spinach i polach magnetycznych. Często można je uczynić bardziej kompaktowymi.”

Ultraclean jest wyjątkowo cichy

Jin wyjaśnia, że badacze stworzyli kubity ładunkowe, zatrzymując elektron w kropce kwantowej, która jest zbiorem atomów w skali nano, zachowującym się jak pojedyncza cząstka kwantowa. Kropka kwantowa spoczywa na powierzchni wykonanej z litego neonu i jest umieszczana w próżni.

Według Jina to ultraczyste środowisko jest kluczem do powodzenia eksperymentu. Neon jako gaz szlachetny nie będzie tworzył wiązań chemicznych z innymi pierwiastkami. W rzeczywistości, jak zespół zauważył w A Fizyka przyrody W artykule na temat badań neon w środowisku o niskiej temperaturze i w pobliżu próżni skondensuje się w ultraczyste półkwantowe ciało stałe pozbawione czegokolwiek, co mogłoby wprowadzić szum do kubitu. Brak szumu umożliwił zespołowi zwiększenie czasu koherencji kubitu ładunku ze 100 nanosekund typowych dla poprzednich wysiłków do 100 mikrosekund.

Co więcej, badacze odczytują stan tych kubitów 98.1% wierności bez użycia wzmacniacza ograniczonego kwantowo, który Jin opisuje jako „specjalne urządzenie umieszczone w bardzo niskiej temperaturze (w naszym przypadku 10 milikelwinów), które może wzmacniać słabe sygnały elektromagnetyczne, ale wytwarzać prawie zerowy szum termiczny”. Ponieważ takie urządzenia zwiększają możliwości odczytu, uzyskanie 98.1% wierności bez nich jest, zdaniem Jin, szczególnie imponujące. „W naszych przyszłych eksperymentach, gdy je wykorzystamy, dokładność odczytu może tylko znacznie wzrosnąć” – dodaje.

Następny kamień milowy

Chociaż tysiąckrotne wydłużenie czasu koherencji stanowi już znaczną poprawę w porównaniu z poprzednimi systemami kubitów ładunkowych, badacze oczekują jeszcze więcej w przyszłości. Według Jina teoretyczne obliczenia zespołu sugerują, że system kubitów ładunku może osiągnąć czas koherencji wynoszący 1–10 milisekund, co stanowi kolejny współczynnik poprawy o 10–100 w stosunku do obecnych wartości. Aby to jednak zrealizować, naukowcy będą musieli uzyskać lepszą kontrolę nad każdym aspektem eksperymentu, od projektowania i wytwarzania urządzeń po kontrolę kubitów.

Krzemowe kubity spinowe produkowane na skalę przemysłową

Poza tym Jin i współpracownicy nadal szukają sposobów na dalsze ulepszenie systemu.

„Następnym kamieniem milowym będzie pokazanie, że dwa kubity ładunkowe można ze sobą splątać” – mówi Jin. „Pracowaliśmy nad tym i osiągnęliśmy duży postęp. Kiedy już to osiągniemy, nasza platforma kubitowa będzie gotowa do uniwersalnych obliczeń kwantowych, mimo że niektóre szczegółowe wyniki można w dalszym ciągu poprawiać”.