Langlebige Qubits überleben als „Inseln“ in einer verrauschten Umgebung – Physics World

Die Zeitspanne, in der Quantenbits (Qubits) ihre Quantennatur behalten, ist für das Quantencomputing von entscheidender Bedeutung, da sie die Anzahl und Komplexität der Berechnungen bestimmt, die sie durchführen können. Jahrzehntelang galt die gängige Meinung, dass die Verlängerung dieser sogenannten Kohärenzzeit den Schutz der Qubits untereinander und vor externen Störungen bedeute. Nun haben Forscher des Schweizer Paul Scherrer Instituts, der ETH Zürich und der EPF Lausanne diese Idee jedoch auf den Kopf gestellt, indem sie gezeigt haben, dass einige Qubits in einer verrauschten Umgebung längere Zeiträume überleben können.

Wie klassische Computer, die Informationen in Bits mit den Werten 0 oder 1 speichern, basiert das Quantencomputing auf Systemen, die in zwei möglichen Zuständen existieren. Der Unterschied besteht darin, dass Qubits auch in einer Überlagerung dieser beiden Zustände vorliegen können. Es ist diese Mehrdeutigkeit, die es ihnen ermöglicht, bestimmte Berechnungen viel schneller durchzuführen als klassische Maschinen, aber Quantenzustände sind fragil und neigen zur Dekohärenz – das heißt, sie verhalten sich wieder wie klassische Nullen und Einsen und verlieren ihre wertvolle Quanteninformation.

In der neuesten Arbeit haben Forscher unter der Leitung eines Photonik-Wissenschaftlers gearbeitet Gabriel Aeppli untersuchte Festkörper-Qubits aus Terbiumionen, die in Kristalle aus Yttrium-Lithiumfluorid (YLiF) dotiert waren₄). Diese Ionen besitzen zwei tief liegende Quantenniveaus mit einem Energieunterschied im Frequenzbereich der 5G-Kommunikation, und es sind diese Zwei-Zustands-Systeme, die die Forscher als ihre Qubits verwendeten. Sie fanden heraus, dass die meisten Qubits zwar nur durchschnittliche Kohärenzzeiten aufweisen, die wenigen Qubits, die sich in Paaren von Terbiumionen bilden, die nahe beieinander liegen, sich jedoch als „ausgezeichnet kohärent“ erweisen.

Scharfe, deutliche Spitzen

Die Forscher beobachteten diese ungewöhnlich kohärenten Qubits mithilfe von Mikrowellenspektroskopie und Spin-Echo-Sonden, die routinemäßig zur Messung von Kohärenzzeiten eingesetzt werden. Sie fanden in ihren Echomessungen sehr scharfe, deutliche Peaks, die viel längeren Kohärenzzeiten (in manchen Fällen 100-fach länger) für die gepaarten Ionen-Qubits entsprechen als für Qubits, die sich in durchschnittlicher Entfernung von ihren Nachbarn befinden. Das Team erklärt diese langen Kohärenzzeiten damit, dass die gepaarten Ionen keine Energie mit benachbarten Einzelionen austauschen können und daher nicht durch Wechselwirkungen mit ihnen gestört werden.

„Der Zweck dieser Forschung bestand darin, zu beweisen, dass es möglich ist, quantenkohärente Überlagerungen von Kristallfeldniveaus (unterschiedliche niederenergetische Organisation der Elektronen auf den Seltenerdionen) zu erzeugen, selbst bei relativ hohen Konzentrationen der Ionen“, erklärt Teammitglied Markus Müller. „Zuerst war es überhaupt nicht klar, dass wir in einer so verrauschten Umgebung irgendeine Kohärenz erkennen könnten, und es war eine unerwartete Entdeckung, dass die Kohärenz zwischen den dotierten Einheiten sehr uneinheitlich war und dass ‚Inseln‘ mit hoher Kohärenz dies können.“ überleben."

Die Entdeckung könnte die Gestaltung von Quantencomputerarchitekturen beeinflussen, fügt er hinzu – insbesondere für Schemata, bei denen Qubits zufällig in eine Wirtsmatrix implantiert werden. Weitere potenzielle Anwendungen umfassen die Verwendung der Qubits als Quantensensoren für die magnetische Dynamik in ihrer Umgebung. Dies könnte es Forschern beispielsweise ermöglichen, die Geschwindigkeit der Spindiffusion in zufälligen, dipolar gekoppelten Systemen in Studien zur Vielteilchenlokalisierung und die Rolle zu untersuchen, die dipolare Wechselwirkungen bei deren Abbau spielen.

Optimierung der Empfindlichkeit des Paar-Qubits

Zukünftig wollen die Forscher die Empfindlichkeit ihrer Paar-Qubits optimieren und Quantenüberlagerungen lokaler elektronuklearer Zustände in Wirtsmaterialien nachbilden, die frei von Kernspin sind. Durch die Entfernung des Kernspins werden unerwünschte Quellen magnetischen Rauschens minimiert, die in YLiF auftreten₄ entstehen hauptsächlich durch den Spin der Fluoratome.

Ladungs-Qubits erhalten einen tausendfachen Boost

„Wir werden auch versuchen, ähnliche kohärente Überlagerungen von Ionenzuständen unterschiedlichen Drehimpulses zu erreichen“, verrät Müller. „Dadurch wird der Bereich der Anregungsfrequenzen vom Mikrowellenbereich (30 GHz), den wir derzeit nutzen, auf den optischen Bereich erweitert, wo die Verfügbarkeit starker Laser schnellere Anregungszeiten ermöglicht (Rabi-Frequenzen). Tatsächlich haben wir in dieser Richtung bereits vielversprechende vorläufige Ergebnisse erzielt.“

Das Team erforscht außerdem Möglichkeiten, Dotierstoffpaare im Zusammenhang mit der Quanteninformationsverarbeitung oder dem Rechnen mit Dotierstoffen in Silizium zu nutzen.

Die Studie ist ausführlich in Naturphysik.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/long-lived-qubits-survive-as-islands-in-a-noisy-environment/