طور فريقان بحثيان مقرهما الولايات المتحدة معالجات معلومات كمومية تستخدم ذرات الإيتربيوم المحايدة (Yb) كوحدات كيوبت - وهي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام هذا النوع الذري لهذا الغرض. حصر الباحثون 100 ذرة Yb في مصفوفة 10 × 10 ، وأظهر الباحثون أنهم يستطيعون إجراء عمليات بوابة ثنائية كيوبت متشابكة عليها ، مما يمهد الطريق نحو أجهزة الكمبيوتر الكمومية بناءً على هذا الاختيار للكيوبت.
من حيث المبدأ ، يمكن أن تكون الكيوبتات أي نظام كمي قادر على نقل المعلومات من خلال ما يسمى بالسجل الكمي ، والذي يضم الكيوبتات بنفس الطريقة التي يحتوي عليها السجل الكلاسيكي بتات في مجموعات 8 و 16 و 32 و 64. استندت كيوبتات الذرة المحايدة إلى معادن قلوية مثل الروبيديوم أو السيزيوم. نظرًا لإلكترون التكافؤ الفردي ، يمكن التحكم في هذه المجموعة من الذرات بشكل كبير باستخدام تقنيات متقدمة ومفهومة جيدًا مثل التبريد بالليزر والمحاصرة.
في أحدث التجارب ، بقيادة فرق مستقلة آدم كوفمان من JILA في كولورادو و جيف طومسون من جامعة برينستون في نيوجيرسي بدلاً من ذلك استخدموا الدوران النووي لنظير Yb ، Yb-171 ، كخيارهم للكيوبت. يوفر الهيكل الداخلي الغني لمعدن Yb "القلوي الشبيه بالأرض" إمكانيات عديدة للتبريد والاحتجاز مع إتاحة إمكانية إنشاء أنظمة كيوبت قوية للاضطرابات الخارجية. وبالتالي ، يمكن للكيوبتات المستندة إلى Yb أن تسمح بعمليات بوابة أكثر كفاءة ، مما يعزز أداء معالجات المعلومات الكمية.
إعداد مجموعة ملاقط بصرية
يتمثل أحد المعايير المهمة للحاسوب الكمومي عالي الدقة في امتلاك أكبر قدر ممكن من التحكم في طريقة إعداد السجل الكمي. في تقنية أطلق عليها فريق JILA اسم "التحميل شبه الحتمي" ، يتم أولاً تبريد غاز من الذرات وتحضيره في مصيدة مغناطيسية بصرية. ثم يتم ضغط الغاز لزيادة كثافة الذرة قبل تحميل الذرات في جهد ضوئي يتكون من مجموعة 10 × 10 من الأجهزة المعروفة باسم الملاقط الضوئية. تضمن الزيادة في الكثافة أن كل موقع من مواقع الملاقط المائة يحتوي على ذرة واحدة على الأقل.
ثم يتم وضع الذرات المحاصرة في مجال مغناطيسي ، والذي يقسمها إلى مجموعات منفصلة مكانيًا تحددها محطاتها الفرعية المغناطيسية. يسمح هذا للباحثين باستخدام شعاع ليزر إضافي "لطرد" الذرات الزائدة من مواقع الملقط المحملة بشكل زائد من أجل عزل ذرة واحدة في كل موقع. حمل هذا التسلسل ذرة واحدة في أكثر من 90٪ من المصفوفة ، ووفقًا لأروكو سينو ، طالبة دكتوراه تعمل على تجربة JILA ، فإن دمجها مع بروتوكول إعادة ترتيب الملقط المطور جيدًا سيجعل من الممكن قياس أرقام كيوبت.
عمليات البوابة أحادية الكيوبت
بمجرد أن أعدوا كيوبتاتهم في المحطة الفرعية المغناطيسية لـ Yb-171 ، تمكن أعضاء كلا الفريقين من إظهار عمليات أحادية كيوبت ، وتهيئة الكيوبتات إلى الحالة بدقة (مقياس للتحكم في العملية) بنسبة 99.95٪ . نظرًا لأن هذا التسلسل يستغل البنية التحتية المغناطيسية لمستويات طاقة Yb ، يعتقد طومسون أنه يمكن زيادة وقت التماسك الأقصى للعملية - أي عمر الكيوبت - البالغ 3.7 ثانية عن طريق تثبيت المجال المغناطيسي المستخدم في الإعداد. علاوة على ذلك ، تعتمد آلية الملاءمة على حالة الاستقطاب لحقول الضوء ، لذا فإن تحسين ذلك قد يجعل المحاصرة أكثر كفاءة.
كان التحدي الأكبر الذي كان على الفريقين التغلب عليه هو تحديد الحالة النهائية للكيوبت. الطريقة الشائعة للقيام بذلك هي التصوير الفلوري - بشكل أساسي ، تسليط الضوء على الذرات لإثارة الانتقال بين مستويات الطاقة الذرية ثم قياس الضوء الذي تصدره استجابةً لذلك. ومع ذلك ، فقد ثبت أن اختيار الطول الموجي المناسب لحزمة التصوير أمر صعب. بينما استخدم فريق JILA انتقالًا واسعًا عند 399 نانومتر ، قرر فريق برينستون استخدام ما يسمى بالطول الموجي "السحري" الذي من شأنه ترك حالة الكيوبت دون تغيير أثناء التصوير وتقليل فقد الذرات. ولكن نظرًا لأن مستويات الطاقة لنظير Yb-171 لم يتم تحديدها بالتفصيل بعد ، كان على فريق برينستون أولاً إيجاد هذا الطول الموجي السحري.
يقول طومسون: "استغرق هذا التحليل الطيفي شهرًا أو شهرين لأننا كنا نجمع أشعة ليزر عشوائية ذات طاقة منخفضة يمكنها أحيانًا صنع ملاقط أو ملقطين فقط ، ولكن كان ضروريًا لأنه لم يكن هناك تنبؤ نظري دقيق".
اثنين كيوبت حالات متشابكة Rydberg
وفقًا لطومسون ، هذه التجارب هي "مجرد بداية لاكتشاف ما يمكننا فعله بالكيوبتات في Yb-171". يتمثل أحد السبل الخاصة للاهتمام في تطوير أجهزة كمبيوتر كمومية قابلة للتطوير استنادًا إلى التشابك بوساطة حالات Rydberg شديدة الإثارة. أظهر فريق برينستون مثل هذه الحالة المتشابكة في Yb-171 لأول مرة. باستخدام سلسلة من النبضات الضوئية ، تم إنشاء حالات التشابك المقابلة ، أو حالات الجرس ، بدقة تبلغ حوالي 85٪.
قال باحثون إن أيونات الإيتربيوم المحاصرة يمكن أن تشكل العمود الفقري للإنترنت الكمي
على الرغم من أن دقة البوابة ثنائية الكيوبت الموضحة في كلتا التجربتين أقل من تلك التي أظهرتها أيون أو منصات كيوبت فائقة التوصيل حتى الآن ، يقول سينو إن نظام الكيوبت القائم على Yb لديه مسار واعد لبناء مصفوفات 1000 كيلوبت ، مع زيادة عدد أيون محاصر أو كيوبت فائق التوصيل حتى مستوى 100 كيوبت ليس واضحًا جدًا. علاوة على ذلك ، يتمتع التشابك بوساطة حالة Rydberg بميزة الحد من الحديث المتبادل والتفاعلات غير المرغوب فيها في نظام متشابك متعدد الكيوبتات. تقلل مثل هذه التفاعلات من دقة عمليات الكيوبت ، كما هو موضح مع الأيونات المحاصرة والكيوبتات فائقة التوصيل.
وفقًا لطومسون ، من المؤكد أن الذرات المحايدة لها لحظة الآن. يعمل كلا الفريقين من أجل تصحيح الخطأ الكمي لتحقيق دقة بوابة ثنائية أفضل من خلال استخدام انتقالات أخرى في Yb-171. تم نشر أبحاثهم في الى الخلفإلىالى الخلف أوراق في فيز القس X.
