کیوبیت اتم خنثی جدید مزایایی را برای محاسبات کوانتومی ارائه می دهد

دو تیم تحقیقاتی مستقر در ایالات متحده، پردازنده‌های اطلاعات کوانتومی را توسعه داده‌اند که از اتم‌های ایتربیوم خنثی (Yb) به عنوان کیوبیت استفاده می‌کنند - اولین باری است که این گونه اتمی برای این منظور به کار می‌رود. با به دام انداختن 100 اتم Yb در یک آرایه 10 × 10، محققان نشان دادند که می توانند عملیات دروازه دو کیوبیتی درهم تنیده را روی آنها انجام دهند و راه را به سمت رایانه های کوانتومی بر اساس این انتخاب کیوبیت هموار کنند.

در اصل، کیوبیت ها می توانند هر سیستم کوانتومی باشند که قادر به انتقال اطلاعات از طریق یک ثبات به اصطلاح کوانتومی است، که کیوبیت ها را به همان شیوه ای که یک ثبات کلاسیک بیت ها را در گروه های 8، 16، 32 و 64 قرار می دهد، در خود جای می دهد. با این حال، قبلاً همه کیوبیت های اتم خنثی بر پایه فلزات قلیایی مانند روبیدیم یا سزیم بودند. این گروه از اتم‌ها به دلیل تک‌الکترون ظرفیتی خود، با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته و کاملاً درک شده مانند خنک‌سازی لیزری و به دام انداختن، بسیار قابل کنترل هستند.

در آخرین آزمایش‌ها، تیم‌های مستقل به رهبری آدام کافمن از JILA در کلرادو و جف تامپسون از دانشگاه پرینستون در نیوجرسی در عوض از اسپین هسته ای ایزوتوپ Yb، Yb-171، به عنوان کیوبیت انتخابی خود استفاده کردند. ساختار داخلی غنی فلز «زمین قلیایی» Yb، امکانات متعددی را برای خنک‌سازی و به دام انداختن ارائه می‌دهد و در عین حال امکان ایجاد سیستم‌های کیوبیت را فراهم می‌کند که در برابر اغتشاشات خارجی مقاوم هستند. بنابراین، کیوبیت‌های مبتنی بر Yb می‌توانند عملیات گیت کارآمدتری را انجام دهند و عملکرد پردازنده‌های اطلاعات کوانتومی را افزایش دهند.

راه اندازی یک آرایه موچین نوری

یک معیار مهم برای یک کامپیوتر کوانتومی با وفاداری بالا این است که تا حد امکان بر نحوه تنظیم ثبات کوانتومی کنترل داشته باشد. در تکنیکی که تیم JILA آن را "بارگذاری تقریبا قطعی" می نامند، گازی از اتم ها ابتدا سرد شده و در یک تله مغناطیسی نوری آماده می شود. سپس گاز فشرده می‌شود تا چگالی اتم را افزایش دهد، قبل از اینکه اتم‌ها در پتانسیل نوری بارگذاری شوند که توسط آرایه‌ای 10×10 از دستگاه‌هایی به نام انبرک نوری تشکیل شده است. افزایش چگالی تضمین می کند که هر یک از 100 محل موچین حداقل یک اتم را شامل می شود.

سپس اتم‌های به دام افتاده در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، که آنها را به گروه‌های جدا از هم تقسیم می‌کند که توسط زیرشاخه‌های مغناطیسی آنها تعیین می‌شود. این به محققان اجازه می‌دهد تا از یک پرتو لیزر اضافی برای بیرون انداختن اتم‌های اضافی از محل‌های موچین بارگذاری شده به منظور جداسازی یک اتم در هر مکان استفاده کنند. این دنباله یک اتم منفرد را در بیش از 90 درصد آرایه بارگذاری کرد و به گفته آروکو سنو، دانشجوی دکترا که روی آزمایش JILA کار می‌کند، ترکیب آن با پروتکل بازآرایی موچین به خوبی توسعه‌یافته باید مقیاس اعداد کیوبیت را ممکن کند.

 عملیات گیت تک کیوبیتی

هنگامی که آنها کیوبیت های خود را در زیر حالت مغناطیسی -½ Yb-171 آماده کردند، اعضای هر دو تیم توانستند عملیات تک کیوبیتی را نشان دهند، و کیوبیت ها را به حالت ½ با وفاداری (معیار کنترل عملیات) 99.95٪ مقداردهی اولیه کردند. . از آنجا که این دنباله از زیرساخت مغناطیسی سطوح انرژی Yb بهره برداری می کند، تامپسون فکر می کند حداکثر زمان انسجام عملیات - یعنی طول عمر کیوبیت - 3.7 ثانیه را می توان با تثبیت میدان مغناطیسی مورد استفاده در تنظیم بیشتر افزایش داد. علاوه بر این، مکانیسم به دام انداختن به حالت پلاریزاسیون میدان های نوری بستگی دارد، بنابراین بهینه سازی بیشتر می تواند تله گذاری را کارآمدتر کند.

بزرگترین چالشی که هر دو تیم باید بر آن غلبه می کردند، تعیین وضعیت نهایی کیوبیت بود. یک راه متداول برای انجام این کار، تصویربرداری فلورسانس است - اساساً تابش نور به اتم ها برای تحریک انتقال بین سطوح انرژی اتمی و سپس اندازه گیری نوری که در پاسخ ساطع می کنند. با این حال، انتخاب طول موج مناسب برای پرتو تصویربرداری دشوار بود. در حالی که تیم JILA از یک انتقال گسترده در 399 نانومتر استفاده کرد، تیم پرینستون تصمیم گرفت از یک طول موج به اصطلاح "جادویی" استفاده کند که حالت کیوبیت را در طول تصویربرداری بدون تغییر باقی می گذارد و از دست دادن اتم ها را کاهش می دهد. اما از آنجایی که سطوح انرژی ایزوتوپ Yb-171 هنوز با جزئیات ترسیم نشده است، تیم پرینستون ابتدا باید این طول موج جادویی را پیدا می کرد.

تامپسون می‌گوید: «این طیف‌سنجی یک یا دو ماه طول کشید، زیرا ما لیزرهای تصادفی با قدرت کم را با هم ترکیب می‌کردیم که گاهی اوقات فقط می‌توانست یک یا دو موچین بسازد، اما لازم بود زیرا هیچ پیش‌بینی نظری دقیقی وجود نداشت.

 حالت های ریدبرگ درهم تنیده دو کیوبیتی

به گفته تامپسون، این آزمایش‌ها «فقط آغازی برای یافتن آنچه می‌توانیم با کیوبیت‌ها در Yb-171 انجام دهیم» است. یکی از راه‌های مورد علاقه، توسعه رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر بر اساس درهم‌تنیدگی با میانجی‌گری حالت‌های بسیار هیجان‌زده رایدبرگ است. تیم پرینستون برای اولین بار چنین حالت درهم تنیده ای را در Yb-171 نشان داد. با استفاده از دنباله ای از پالس های نور، حالت های درهم تنیده مربوطه، یا حالت های بل، با وفاداری حدود 85 درصد ایجاد شدند.

اگرچه وفاداری دروازه دو کیوبیتی نشان‌داده‌شده در هر دو آزمایش کمتر از آنچه تاکنون توسط پلتفرم‌های کیوبیت یونی یا ابررسانا نشان داده شده است، سنو می‌گوید که یک سیستم کیوبیت مبتنی بر Yb مسیر امیدوارکننده‌ای برای ساخت آرایه‌های 1000 کیوبیتی دارد، در حالی که افزایش تعداد کیوبیت های یون به دام افتاده یا ابررسانا حتی تا سطح 100 کیوبیت خیلی ساده نیست. علاوه بر این، درهم تنیدگی با واسطه دولت رایدبرگ دارای مزیت محدود کردن تداخل و تعاملات نامطلوب در یک سیستم درهم تنیده با کیوبیت است. چنانکه با یون های به دام افتاده و کیوبیت های ابررسانا نشان داده شده است، چنین برهمکنش هایی وفاداری عملیات کیوبیت را کاهش می دهد.

به گفته تامپسون، اتم های خنثی مطمئناً اکنون لحظه ای دارند. هر دو تیم روی تصحیح خطای کوانتومی کار می‌کنند تا با استفاده از انتقال‌های دیگر در Yb-171، به یک گیت دو کیوبیتی بهتر دست یابند. تحقیقات آنها در منتشر شده است به عقب-به-به عقب اوراق در Phys Rev X.