Langlivede qubits overlever som 'øer' i et støjende miljø – Physics World

Langlivede qubits overlever som 'øer' i et støjende miljø - Physics World

Tidsstempel: 5. februar 2024 kl. 4:30

Billede, der viser par af terbiumioner repræsenteret som prikker med spin-pile omsluttet af glødende beskyttende kugler, mod en rodet baggrund af knækkede metalstykker
Ikke generet: Inden for et tæt system danner nogle terbiumioner parrede tilstande, der ikke kan interagere med enkelte terbiumioner i nærheden. Beskyttet mod deres rodede miljø kan de fungere som qubits med overraskende lange sammenhængende levetider. (Med høflighed: Ella Maru Studio)

Det tidsrum, hvor kvantebits (qubits) bevarer deres kvantenatur, er afgørende for kvanteberegning, fordi det bestemmer antallet og kompleksiteten af ​​beregninger, de kan udføre. I årtier har den konventionelle visdom været, at forøgelse af denne såkaldte kohærenstid betød beskyttelse af qubits fra hinanden og mod eksterne forstyrrelser. Nu har forskere ved det schweiziske Paul Scherrer Institut, ETH Zürich og EPF Lausanne imidlertid vendt denne idé på hovedet ved at vise, at nogle qubits kan overleve i længere perioder i et støjende miljø.

Ligesom klassiske computere, der gemmer information i bits, der har værdier på 0 eller 1, er kvanteberegning afhængig af systemer, der eksisterer i to mulige tilstande. Forskellen er, at qubits også kan være i en superposition af disse to tilstande. Det er denne tvetydighed, der gør dem i stand til at udføre visse beregninger meget hurtigere end klassiske maskiner, men kvantetilstande er skrøbelige og har en tendens til at dekohere - hvilket betyder, at de vender tilbage til at opføre sig som klassiske 0'ere og 1'ere og mister deres dyrebare kvanteinformation.

I det seneste arbejde, forskere ledet af fotonik videnskabsmand Gabriel Aepli undersøgte faststof-qubits lavet af terbiumioner dopet til krystaller af yttriumlithiumfluorid (YLiF4). Disse ioner har to lavtliggende kvanteniveauer med en energiforskel i 5G-kommunikationsfrekvensdomænet, og det er disse to-statssystemer, som forskerne brugte som deres qubits. De fandt ud af, at mens de fleste af qubits kun oplever gennemsnitlige kohærenstider, viser den håndfuld qubits, der dannes i par af terbiumioner, der er placeret tæt sammen, at være "udsøgt sammenhængende".

Skarpe, tydelige tinder

Forskerne observerede disse usædvanligt sammenhængende qubits ved hjælp af mikrobølgespektroskopi og spin-ekkosonder, som rutinemæssigt bruges til at måle kohærenstider. De fandt meget skarpe, tydelige toppe i deres ekkomålinger, svarende til meget længere kohærenstider (100 gange længere i nogle tilfælde) for de parrede ion-qubits end for qubits placeret i gennemsnitlige afstande fra deres naboer. Holdet forklarer disse lange sammenhængstider ved at bemærke, at de parrede ioner ikke kan udveksle energi med nærliggende enkelte ioner og derfor ikke forstyrres af interaktioner med dem.

"Formålet med denne forskning var at bevise, at det er muligt at generere kvantekohærente superpositioner af krystalfeltniveauer (forskellige lavenergiorganisationer af elektronerne på de sjældne jordarters ioner), selv ved ret høje koncentrationer af ionerne," forklarer medarbejder Markus Müller. ”I begyndelsen var det slet ikke klart, at vi ville være i stand til at se nogen sammenhæng i et så støjende miljø, og det var en uventet opdagelse, at sammenhængen var meget uensartet blandt de dopede enheder, og at 'øer' med høj sammenhæng kan overleve."

Opdagelsen kunne informere design af kvanteberegningsarkitekturer, tilføjer han - især for skemaer, hvor qubits implanteres tilfældigt i en værtsmatrix. Andre potentielle applikationer inkluderer at bruge qubits som kvantesensorer til magnetisk dynamik i deres omgivelser. Dette kan for eksempel gøre det muligt for forskere at undersøge hastigheden af ​​spindiffusion i tilfældige, dipolære koblede systemer i studier af mange-krops lokalisering og den rolle, som dipolære interaktioner spiller for at nedbryde den.

Optimering af følsomheden af ​​par-qubits

Ser frem til, sigter forskerne på at optimere følsomheden af ​​deres par-qubits og at genskabe kvantesuperpositioner af lokale elektro-nukleare tilstande i værtsmaterialer, der er fri for nuklear spin. Fjernelse af nuklear spin vil minimere uønskede kilder til magnetisk støj, som i YLiF4 stammer primært fra fluoratomernes spin.

"Vi vil også forsøge at opnå lignende sammenhængende superpositioner af iontilstande med forskellig vinkelmomentum" afslører Müller. "Disse vil udvide området af excitationsfrekvenser fra mikrobølgeområdet (30 GHz), som vi i øjeblikket anvender, til det optiske område, hvor tilgængeligheden af ​​stærke lasere giver mulighed for hurtigere excitationstider (Rabi-frekvenser). Faktisk har vi allerede opnået lovende foreløbige resultater i denne retning."

Holdet udforsker også måder at bruge par af dopingstoffer i forbindelse med kvanteinformationsbehandling eller databehandling med dopanter i silicium.

Undersøgelsen er detaljeret i Naturfysik.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden