Qubit sạc được tăng gấp nghìn lần – Thế giới vật lý

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Hình minh họa của nghệ sĩ về qubit điện tích, hiển thị hai quả cầu – một màu xanh lá cây, một màu xanh lam – lơ lửng trên một con chip — Giữ lượng tử: Nghệ sĩ kết xuất hai qubit điện tích với thời gian kết hợp lâu và khả năng kết hợp mạnh mẽ. (Được phép: Dafei Jin/Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Đại học Notre Dame)

Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã cải thiện thời gian kết hợp của các bit lượng tử điện tích (qubit) lên gấp 1000 lần nhờ những tiến bộ trong vật liệu được sử dụng để chế tạo chúng. Do Đại Phi Tấn của Trung tâm Vật liệu nano Argonne và David schuster của Đại học Stanford và Đại học Chicago, nhóm đa tổ chức cũng cho thấy có thể đọc được trạng thái của các qubit này với độ chính xác 98.1% – giá trị mà Jin cho biết sẽ tăng hơn nữa với sự trợ giúp của các công nghệ đọc phức tạp hơn.

Thời gian kết hợp cực kỳ quan trọng trong điện toán lượng tử, vì nó biểu thị khoảng thời gian một qubit có thể duy trì ở trạng thái chồng chất của nhiều trạng thái trước khi tiếng ồn môi trường khiến nó mất kết hợp hoặc mất đi bản chất lượng tử. Trong giai đoạn này, máy tính lượng tử có thể thực hiện các phép tính phức tạp mà máy tính cổ điển không thể thực hiện được.

Nhiều hệ lượng tử có thể hoạt động như qubit. Ví dụ, qubit spin mã hóa thông tin lượng tử trong spin của electron hoặc hạt nhân, có thể lên, xuống hoặc chồng chất của cả hai. Về phần mình, các qubit điện tích biểu thị thông tin lượng tử thông qua sự hiện diện hay vắng mặt của điện tích dư thừa trên một electron có trong hệ thống qubit. Họ còn khá mới – các thành viên của nhóm tạo ra cái đầu tiên vào năm 2022 – và Jin nói rằng chúng có một số lợi thế so với qubit quay.

Ông giải thích: “Các qubit sạc thường cho phép tốc độ hoạt động nhanh hơn nhiều vì điện tích kết hợp mạnh với điện trường”. “Điều này có lợi hơn so với qubit quay vì spin kết hợp yếu với từ trường. Các thiết bị qubit sạc thường dễ chế tạo và vận hành hơn nhiều, bởi vì hầu hết cơ sở hạ tầng chế tạo và vận hành hiện tại đều dựa trên điện tích và điện trường, thay vì spin và từ trường. Chúng thường có thể được làm nhỏ gọn hơn.”

Ultraclean cực kỳ yên tĩnh

Jin giải thích rằng các nhà nghiên cứu đã tạo ra qubit điện tích của họ bằng cách nhốt một electron bên trong một chấm lượng tử, đây là một tập hợp các nguyên tử có kích thước nano hoạt động giống như một hạt lượng tử duy nhất. Chấm lượng tử nằm trên một bề mặt làm từ neon rắn và được đặt trong chân không.

Theo Jin, môi trường siêu sạch này là chìa khóa thành công của thí nghiệm. Neon, là một loại khí hiếm, sẽ không hình thành liên kết hóa học với các nguyên tố khác. Trên thực tế, như nhóm đã chỉ ra trong một Vật lý tự nhiên Trong bài báo nghiên cứu, neon trong môi trường nhiệt độ thấp và gần chân không sẽ ngưng tụ thành chất rắn bán lượng tử siêu tinh khiết, không có bất cứ thứ gì có thể gây nhiễu vào qubit. Việc thiếu tiếng ồn này cho phép nhóm tăng thời gian kết hợp của qubit điện tích từ 100 nano giây điển hình của những nỗ lực trước đó lên 100 micro giây.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu còn đọc trạng thái của các qubit này bằng Độ trung thực 98.1% mà không sử dụng bộ khuếch đại giới hạn lượng tử, mà Jin mô tả là “một thiết bị đặc biệt đặt ở nhiệt độ rất thấp (trong trường hợp của chúng tôi là 10 millikelvin) có thể khuếch đại tín hiệu điện từ yếu nhưng mang lại nhiễu nhiệt gần như bằng không”. Jin cho biết, vì các thiết bị như vậy nâng cao khả năng đọc nên đạt được độ chính xác 98.1% khi không có chúng là điều đặc biệt ấn tượng. Ông cho biết thêm: “Trong các thử nghiệm trong tương lai của chúng tôi, một khi chúng tôi sử dụng chúng, độ trung thực của kết quả đọc của chúng tôi chỉ có thể cao hơn nhiều”.

Cột mốc tiếp theo

Mặc dù thời gian kết hợp tăng gấp hàng nghìn lần đã là một cải tiến lớn so với các hệ thống qubit điện tích trước đây, nhưng các nhà nghiên cứu thậm chí còn mong đợi nhiều hơn thế trong tương lai. Theo Jin, các tính toán lý thuyết của nhóm cho thấy hệ thống qubit điện tích có thể đạt thời gian kết hợp từ 1-10 mili giây, thể hiện một yếu tố khác của sự cải thiện 10-100 so với giá trị hiện tại. Tuy nhiên, để hiện thực hóa điều này, các nhà khoa học sẽ cần có quyền kiểm soát tốt hơn mọi khía cạnh của thí nghiệm, từ thiết kế và chế tạo thiết bị đến kiểm soát qubit.

Silicon spin qubit được sản xuất trên quy mô công nghiệp

Ngoài ra, Jin và các đồng nghiệp tiếp tục tìm cách cải thiện hệ thống hơn nữa.

Jin nói: “Cột mốc lớn nhất tiếp theo là cho thấy hai qubit điện tích có thể vướng vào nhau”. “Chúng tôi đang nghiên cứu vấn đề đó và đã đạt được nhiều tiến bộ. Khi chúng tôi hoàn thành được điều đó, nền tảng qubit của chúng tôi sẽ sẵn sàng cho điện toán lượng tử phổ quát, mặc dù một số hiệu suất chi tiết có thể tiếp tục được cải thiện.”