Các nhà nghiên cứu của MIT phát triển cách mới để khuếch đại tín hiệu lượng tử trong khi giảm tiếng ồn

Các nhà nghiên cứu của MIT phát triển cách mới để khuếch đại tín hiệu lượng tử trong khi giảm tiếng ồn

Dấu thời gian: ngày 27 tháng 2023 năm 8 44:XNUMX sáng
Nút nguồn: 1983587
Các nhà nghiên cứu từ MIT đã tìm ra cách tăng cường tín hiệu lượng tử đồng thời giảm tiếng ồn môi trường bằng cách sử dụng quy trình gọi là "ép".
By Kenna Hughes-Castleberry đăng ngày 27 tháng 2023 năm XNUMX

Do tính dễ vỡ và độ nhạy của các qubit trong máy tính lượng tử, môi trường tiếng ồn là yếu tố then chốt trong việc duy trì tính toàn vẹn của toàn bộ hệ thống. Vì tiếng ồn này có thể ảnh hưởng đến quá trình phân tích và đọc của máy tính lượng tử nên các kỹ sư và nhà khoa học trên khắp thế giới đang cố gắng tìm cách giảm tiếng ồn này trong khi vẫn duy trì mức giao tiếp hiện tại giữa các qubit. Gần đây nghiên cứu từ MIT đề xuất một phương pháp kiểm soát tiếng ồn mới khả thi trong khi tăng tín hiệu lượng tử bằng cách sử dụng một quy trình được gọi là ép. Với kết quả của họ được công bố trong Vật lý tự nhiên, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng việc nén có thể được sử dụng để tạo ra các thành phần mạnh mẽ hơn cho máy tính lượng tử.

Đánh vần Bóp

Theo tác giả đầu tiên và sinh viên tốt nghiệp MIT Jack Qiu, ép hoạt động bằng cách phân phối lại tiếng ồn môi trường từ một biến này sang một biến khác, sao cho tổng lượng tiếng ồn là như nhau, nó chỉ ít hơn trên một tham số. Như Qiu giải thích thêm: “Một thuộc tính lượng tử được gọi là Nguyên tắc bất định Heisenberg yêu cầu thêm một lượng nhiễu tối thiểu trong quá trình khuếch đại, dẫn đến cái gọi là 'giới hạn lượng tử tiêu chuẩn' của nhiễu nền. Tuy nhiên, một thiết bị đặc biệt được gọi là Josephson bộ khuếch đại tham số có thể giảm tiếng ồn được thêm vào bằng cách 'ép' nó xuống dưới giới hạn cơ bản bằng cách phân phối lại nó một cách hiệu quả ở nơi khác.

Sự phân phối lại này đặc biệt hữu ích khi các nhà nghiên cứu tập trung vào một tham số cụ thể trong hệ thống. “Thông tin lượng tử được thể hiện trong các biến liên hợp, chẳng hạn như biên độ và pha của sóng điện từ,” Qiu nói thêm. “Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, các nhà nghiên cứu chỉ cần đo một trong các biến số này – biên độ hoặc pha – để xác định trạng thái lượng tử của hệ thống. Trong những trường hợp này, họ có thể 'bóp tiếng ồn:' hạ thấp nó cho một biến số, chẳng hạn như biên độ, trong khi tăng nó cho biến số khác, trong trường hợp này là pha. Tổng lượng nhiễu không đổi do Nguyên lý bất định của Heisenberg. Tuy nhiên, phân phối của nó có thể được định hình để có thể thực hiện các phép đo ít ồn ào hơn trên một trong các biến.”

Thực hiện ép trong hệ thống và tăng cường tín hiệu lượng tử

Trong thử nghiệm của họ, Qiu và nhóm của ông tập trung vào việc sử dụng một loại thiết bị mới để bắt đầu ép. Qiu cho biết: “Trong nghiên cứu này, chúng tôi giới thiệu một loại bộ khuếch đại tham số sóng di chuyển Josephson kỹ thuật phân tán mới (JTWPA) được thiết kế để ép. “Thiết bị bao gồm nhiều mối nối Josephson [điểm nối chứa dòng điện siêu dẫn] nối tiếp và các bộ cộng hưởng khớp pha được nạp định kỳ để hỗ trợ hoạt động của bơm kép.” Với thiết bị này, các nhà nghiên cứu có thể tinh chỉnh toàn bộ hệ thống của họ, cho phép các photon kết hợp thành các tín hiệu lượng tử mạnh hơn và được khuếch đại nhiều hơn. Kết quả họ tìm thấy với thiết bị mới này và thiết lập thử nghiệm thật thú vị. Qiu giải thích: “Kiến trúc này cho phép [các tín hiệu lượng tử] giảm công suất nhiễu xuống 10 lần so với giới hạn lượng tử cơ bản trong khi hoạt động với băng thông khuếch đại 3.5 gigahertz. “Dải tần số này cao hơn gần hai bậc so với các thiết bị trước đây. Thiết bị của chúng tôi cũng chứng minh khả năng tạo băng thông rộng của các cặp photon vướng víu, có thể cho phép các nhà nghiên cứu đọc thông tin lượng tử hiệu quả hơn với tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cao hơn nhiều.”

Do sự phát triển hiện tại của máy tính lượng tử đang nỗ lực cải thiện tín hiệu lượng tử giữa các qubit đồng thời giảm tiếng ồn môi trường nên kết quả từ thí nghiệm này có thể rất quan trọng. Khi Qiu và nhóm của anh ấy đang tiếp tục nghiên cứu quá trình này, họ hy vọng rằng công việc của họ có thể ảnh hưởng đến những người khác trong ngành công nghiệp lượng tử. Như Qiu đã nói: “Nó có tiềm năng to lớn nếu bạn áp dụng nó vào các hệ thống lượng tử khác – để giao tiếp với hệ thống qubit nhằm tăng cường khả năng đọc, hoặc làm vướng víu các qubit hoặc mở rộng dải tần hoạt động của thiết bị để sử dụng trong việc phát hiện và cải thiện vật chất tối. hiệu quả phát hiện của nó.”

Kenna Hughes-Castleberry là nhà văn nhân viên của Inside Quantum Technology và Science Communicator tại JILA (hợp tác giữa Đại học Colorado Boulder và NIST). Những nhịp điệu viết lách của cô ấy bao gồm công nghệ sâu, siêu nghịch đảo và công nghệ lượng tử.

Dấu thời gian:

Thêm từ Công nghệ lượng tử bên trong