Ny superledende hulrumsqubit skubber grænserne for kvantekohærens - Physics World

I løbet af kvanteberegningens historie er kohærenstiden for superledende qubits - det vil sige den tid, hvor de bevarer deres kvanteinformation - forbedret drastisk. En stor forbedring kommer fra at placere superledende qubits inde i tredimensionelle mikrobølgeresonatorhulrum, som bevarer qubittens tilstand ved at kode den i fotoner lagret i hulrummet.

I en nylig undersøgelse skubbede forskere fra Israels Weizmann Institute of Science grænserne for denne metode ved at demonstrere en ny tredimensional hulrums-qubit-opsætning med en enkelt-foton-kohærenstid på 34 millisekunder (ms). Lang kohærenstid er nøglen til at opnå qubit-operationer med lav fejl (derved reducerer den hardware, der kræves i fejltolerance), og den nye kohærenstid knuser den tidligere rekord med mere end en størrelsesorden.

Qubits er meget følsomme over for deres omgivelser og mister let information på grund af støj. For at bevare qubit-tilstande i længere tid henvendte forskere sig til mikrobølgeresonatorhulrum som en form for lagerenhed. Som deres navn antyder, er disse hulrum tredimensionelle strukturer, der omfatter et hulrum designet til at rumme en superledende transmon qubit-chip og de mikrobølgefotoner, der interagerer med den. Gennem en kodningsproces, der involverer anvendelsen af ​​specifikke mikrobølgeimpulser, overføres qubit-tilstanden til hulrumstilstanden og lagres der. Når den ønskede periode er gået, hentes tilstanden ved at indkode den tilbage i transmonen. Hulrummet spiller således en afgørende rolle i styring og måling af den qubit, der er placeret inde i den.

Til praktiske anvendelser i kvanteinformationsbehandling skal hulrummet være i stand til at lagre kvantetilstanden i længere perioder. Men at opnå dette er ikke ligetil på grund af forskellige eksterne faktorer. Fordi de er de mindste lyspartikler, er fotoner svære at begrænse og går let tabt. Forstyrrelser i qubit-chippen placeret inde i hulrummet er væsentlige kilder til fotondæmpning og dekohærens. Dannelsen af ​​et uønsket oxidlag på hulrummets overflade formindsker fotonens levetid yderligere.

Konstruktion af et nyt hulrumsdesign

Anført af Serge Rosenblum, Fabien Lafont, Ofir Milul, Barkay Guttel, Uri Goldblatt , Nitzan Kahn, Weizmann hold overvandt disse udfordringer ved at designe et lav-tab superledende niobium hulrum, der understøtter en langlivet enkelt-foton qubit. De brugte højrent niobium til at fremstille to separate dele af hulrummet og svejste senere delene sammen for at forhindre fotoner i at lække ud. De fjernede også oxid og overfladeforurenende stoffer ved kemisk at polere hulrummet.

Den resulterende struktur ligner lidt en åben paraply med en halvelliptisk geometri, der udvikler sig til en smal bølgeleder, hvor paraplyens håndtag ville være. Ligesom en parabolantenne, der har en buet overflade, der reflekterer radiobølger mod sit brændpunkt, koncentrerer hulrummets elliptiske struktur det elektromagnetiske felt i midten af ​​den flade overflade af den anden halvdel af hulrummet (se billede).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence-physics-world.png" data-caption="Opsætning af hulrum Til venstre: diagram af holdets transmon-chip indsat i den smalle bølgeleder og delvist rager ind i det halvelliptiske superledende hulrum. Til højre: Et foto af hulrummets to halvdele før samling. (Med høflighed: Milul et al., "Superconducting Cavity Qubit with Tens of Milliseconds Single-Photon Coherence Time", PRX Quantum 4 030336 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.030336; Serge Rosenblum)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence-physics-world.png”>

Da holdet havde forberedt hulrummet, "var den største udfordring at integrere en superledende transmon-qubit i et hulrum uden at formindske hulrummets fotonlevetid", siger Rosenblum. "Dette fører os tilbage til den berygtede balancegang i kvantesystemer mellem kontrollerbarhed på den ene side og isolation på den anden."

Forskerne opnåede denne balance ved kun at placere omkring 1 millimeter af transmon-chippen inde i det elliptiske hulrum, mens resten er anbragt inde i bølgelederen. Denne konfiguration minimerer chip-inducerede tab. Kavitetens begrænsede eksponering for chippen svækker dog interaktionen mellem hulrum og transmon, så forskerne kompenserede for dette ved at anvende stærke mikrobølgeimpulser til at kode qubit-tilstanden i hulrummet.

Udnyttelse af et hulrum til kvantehukommelse og kvantefejlkorrektion

Takket være dette innovative hulrumsdesign opnåede forskere en enkelt-foton-levetid på 25 ms og en sammenhængstid på 34 ms. Dette er en væsentlig forbedring i forhold til det tidligere state-of-the-art hulrum, som havde en sammenhængstid på omkring 2 ms.

Rosenblum og kolleger demonstrerede også en fejlkorrektionsmetode kendt som bosonisk kvantefejlkorrektion, hvorved qubit'ens information er redundant lagret i flere fotoner, der optager hulrummet (såkaldte Schrödinger-kattetilstande). Dette bevarer den skrøbelige qubit-tilstand ved at lagre den i mange hulrumsfotoner, ikke kun nogle få. Ulempen er, at når antallet af lagrede fotoner stiger, stiger fotontabshastigheden. På trods af denne begrænsning opnåede Weizmann-teamet Schrodinger-kattetilstande med en størrelse på 1024 fotoner. Dette svarer til et gennemsnitligt antal på 256 fotoner, hvilket er 10 gange større end tidligere demonstrationer - et bemærkelsesværdigt fremskridt, der kunne forbedre ydeevnen af ​​bosonisk kvantefejlkorrektion.

Med en fotonlevetid, der er fire størrelsesordener større end den tid, der kræves til portoperationer, giver dette gennembrud rigelig tid til at kontrollere qubit'en, før den mister information. Når man ser fremad, siger Rosenblum, at holdets mål er at realisere kvanteoperationer på disse hulrum med hidtil uset troskab eller sandsynlighed for succes. Især nævner han, at efter undersøgelsen blev offentliggjort i PRX Quantum, holdet har mere end fordoblet single-photons levetid til 60 ms, hvilket indikerer et betydeligt potentiale for yderligere fremskridt.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/