Η σύζευξη των ζευγών Cooper βοηθά στην προστασία των qubits από το θόρυβο PlatoBlockchain Data Intelligence. Κάθετη αναζήτηση. Ολα συμπεριλαμβάνονται.

Η σύζευξη ζευγών Cooper βοηθά στην προστασία των qubits από το θόρυβο

Χρονική σήμανση: 2 Ιουνίου 2022 5:00 π.μ.

Μια ερευνητική ομάδα στο Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure (LPENS) στη Γαλλία ανέπτυξε έναν νέο τρόπο για την προστασία των υπεραγώγιμων κβαντικών bit (qubits) από το θόρυβο. Χάρη σε ένα νέο στοιχείο υπεραγώγιμου κυκλώματος που «απλώνει» αποτελεσματικά την κβαντική κατάσταση του qubit, η ομάδα μείωσε την ευαισθησία του qubit σε μια εξωτερική μαγνητική ροή κατά 10. Αυτή η βελτίωση θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη υπεραγώγιμων qubit επόμενης γενιάς που είναι λιγότερο επιρρεπείς σε λάθη.

Οι κβαντικές πληροφορίες που αποθηκεύονται σε qubits είναι εύθραυστες στο θόρυβο από το περιβάλλον και αυτό παραμένει μια σημαντική πρόκληση για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας. Μια σημαντική προσέγγιση για την προστασία των qubits από το θόρυβο είναι η μετατόπιση των κβαντικών πληροφοριών τους: επειδή ο θόρυβος είναι συνήθως τοπικός, οι κβαντικές πληροφορίες που αποθηκεύονται μη τοπικά είναι λιγότερο πιθανό να αλλοιωθούν. Για παράδειγμα, ορισμένοι τύποι κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων κωδικοποιούν πληροφορίες σε ένα δίκτυο πολλών χωρικά διαχωρισμένων qubits.

googletag.cmd.push (function () {googletag.display ('div-gpt-ad-3759129-1');});

Είναι ενδιαφέρον ότι αυτή η προσέγγιση μετεγκατάστασης μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε μια πιο αφηρημένη μορφή χώρου γνωστή ως χώρος Hilbert ενός qubit. Ένα δημοφιλές παράδειγμα είναι η υπεραγωγιμότητα transmon qubit, οι καταστάσεις του οποίου κατανέμονται σε μεγάλο βαθμό σε πολλές τιμές φόρτισης, παρέχοντας κάποια ασυλία έναντι του θορύβου φόρτισης.

Ζεύγος Cooper-Pair

Οι κβαντικές καταστάσεις ενός υπεραγώγιμου κυκλώματος μπορούν να περιγραφούν με όρους ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων γνωστών ως ζεύγη Cooper (ο κύριος φορέας φορτίου στους υπεραγωγούς) ή την υπεραγώγιμη φάση (τεχνικά, η φάση της σύνθετης παραμέτρου τάξης υπεραγώγιμου). Όταν μεμονωμένοι Cooper ζευγαρώνουν σήραγγα κατά μήκος μιας λεγόμενης διασταύρωσης Josephson, η οποία συνήθως αποτελείται από δύο υπεραγωγούς που συγκρατούν έναν λεπτό μονωτή, το ρεύμα που διαρρέει τη διασταύρωση εξαρτάται μη γραμμικά από την υπεραγώγιμη φάση της. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται φαινόμενο Josephson, είναι βασικό στοιχείο σχεδόν σε όλα τα υπεραγώγιμα qubits.

Η Ερευνητές του LPENS σχεδίασε ένα νέο υπεραγώγιμο qubit στο οποίο οι κβαντικές καταστάσεις μετατοπίζονται σε ένα ευρύ φάσμα τιμών της υπεραγώγιμης φάσης. Το πέτυχαν δημιουργώντας μια γενικευμένη εκδοχή μιας διασταύρωσης Josephson στην οποία δύο ζεύγη Cooper περνούν ταυτόχρονα τη διασταύρωση - δηλαδή ένα ζεύγος ζευγών Cooper.

Ένα διάγραμμα κυκλώματος για το νέο υπεραγώγιμο qubit
Διακεκομμένος βρόχος: Ένα εκτεταμένο διάγραμμα ηλεκτρικού κυκλώματος για το στοιχείο συν-σηράγγων κινητικής παρεμβολής. (Ευγενική προσφορά: WC Smith et al., "Magnifying Quantum Phase Fluctuations with Cooper-Pair Pairing", Phys Rev X 12 021002, https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.021002)

Η νέα διασταύρωση πραγματοποιήθηκε σε έναν υπεραγώγιμο βρόχο που διακόπτεται από δύο συνδέσεις Josephson και δύο υπερεπαγωγείς, οι οποίοι είναι μεγάλοι επαγωγείς με μικρές συνοδευτικές χωρητικότητες. Αυτή η διάταξη, την οποία η ομάδα ονομάζει στοιχείο κινητικής παρεμβολής συν-σηράγγων (KITE), εμπνεύστηκε από ένα Πρόταση 20 ετών Αυτό υποδηλώνει την παρατήρηση του φαινομένου του ζεύγους Cooper σε έναν υπεραγώγιμο βρόχο τεσσάρων συνδέσεων Josephson. "Η διαφορά είναι ότι το KITE ανταλλάσσει δύο από αυτές τις διασταυρώσεις για υπερεπαγωγείς, γεγονός που παρέχει καλύτερη ανθεκτικότητα στην αντιστάθμιση του θορύβου φόρτισης και ορισμένες άλλες επιθυμητές ιδιότητες", λέει. Κλαρκ Σμιθ, ο κύριος συγγραφέας του α Φυσική εξέταση X έγγραφο που περιγράφει την έρευνα.

Η ομάδα έλεγξε προσεκτικά τον βρόχο KITE χρησιμοποιώντας καταστροφικές παρεμβολές για να καταστείλει τη διάνοιξη μεμονωμένων ζευγών Cooper πάνω από τις δύο διασταυρώσεις Josephson, επιτρέποντας τη συν-σήραγγα δύο ζευγών Cooper να κυριαρχήσει. Αυτό μεγεθύνει τις διακυμάνσεις της υπεραγώγιμης φάσης κατά περισσότερο από έναν παράγοντα δύο – μια σημαντική αύξηση στην εξάπλωση των καταστάσεων qubit. Στη συνέχεια, η ομάδα παρατήρησε πειραματικά μια 10πλάσια μείωση της ευαισθησίας του qubit σε μια εξωτερική μαγνητική ροή, καθιστώντας το πιο ανθεκτικό στο θόρυβο ροής.

Προς προστατευμένα υπεραγώγιμα qubits

Οι ερευνητές λένε ότι η γενικευμένη διασταύρωση Josephson είναι ένα ζωτικό στοιχείο κυκλώματος για τη δημιουργία υπεραγώγιμων qubits που είναι εγγενώς ανθεκτικά στο θόρυβο. Συνδυάζοντας μια τέτοια διασταύρωση με ένα άλλο στοιχείο γνωστό ως κβαντική ολίσθηση φάσης, ίσως καταστεί δυνατή η εφαρμογή ενός λεγόμενου Qubit Gottesman-Kitaev-Preskill στις οποίες οι καταστάσεις qubit μετατοπίζονται τόσο στο χώρο φόρτισης όσο και στο χώρο φάσης και επομένως είναι ακόμη πιο ανθεκτικές έναντι του θορύβου. Σύμφωνα με τον Smith, ένα επόμενο έργο θα ήταν η ανάπτυξη αποτελεσματικών κβαντικών διασταυρώσεων ολίσθησης φάσης και η κατασκευή qubits που προστατεύονται εγγενώς από το θόρυβο χωρίς να καταφεύγουν σε διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων. Τέτοια qubits θα διευκόλυνε σημαντικά την πολυπλοκότητα του υλικού που απαιτείται για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή με ανοχή σε σφάλματα.

Ο ορθοστάτης Η σύζευξη ζευγών Cooper βοηθά στην προστασία των qubits από το θόρυβο εμφανίστηκε για πρώτη φορά σε Κόσμος Φυσικής.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής