کیوبیت حفره ابررسانای جدید محدودیت‌های انسجام کوانتومی را پیش می‌برد - دنیای فیزیک

در طول تاریخ محاسبات کوانتومی، زمان انسجام کیوبیت‌های ابررسانا – یعنی زمانی که در طی آن اطلاعات کوانتومی خود را حفظ می‌کنند – به شدت بهبود یافته است. یک پیشرفت عمده از قرار دادن کیوبیت‌های ابررسانا در داخل حفره‌های تشدیدگر مایکروویو سه‌بعدی حاصل می‌شود که با رمزگذاری آن در فوتون‌های ذخیره‌شده در حفره، حالت کیوبیت را حفظ می‌کند.

در یک مطالعه اخیر، محققان مؤسسه علوم ویزمن اسرائیل با نشان دادن یک تنظیم کیوبیت حفره سه بعدی جدید با زمان انسجام تک فوتون 34 میلی ثانیه (میلی ثانیه) مرزهای این روش را تغییر دادند. زمان انسجام طولانی کلید دستیابی به عملیات کیوبیت کم خطا است (در نتیجه سخت‌افزار مورد نیاز در تحمل خطا کاهش می‌یابد)، و زمان انسجام جدید رکورد قبلی را بیش از یک مرتبه بزرگ می‌شکند.

کیوبیت ها نسبت به محیط خود بسیار حساس هستند و به راحتی اطلاعات خود را به دلیل نویز از دست می دهند. برای حفظ حالت کیوبیت برای مدت طولانی‌تر، محققان به حفره‌های تشدیدگر مایکروویو به عنوان نوعی ابزار ذخیره‌سازی روی آوردند. همانطور که از نام آنها پیداست، این حفره ها ساختارهای سه بعدی هستند که شامل یک فضای توخالی هستند که برای قرار دادن یک تراشه کیوبیت ترانسمون ابررسانا و فوتون های مایکروویو که با آن تعامل دارند طراحی شده است. از طریق یک فرآیند رمزگذاری شامل استفاده از پالس های مایکروویو خاص، حالت کیوبیت به حالت حفره منتقل شده و در آنجا ذخیره می شود. پس از سپری شدن دوره مورد نظر، حالت با رمزگذاری مجدد آن در ترانسمون بازیابی می شود. بنابراین حفره نقش مهمی در کنترل و اندازه گیری کیوبیت قرار داده شده در داخل آن ایفا می کند.

برای کاربردهای عملی در پردازش اطلاعات کوانتومی، حفره باید قادر باشد حالت کوانتومی را برای دوره های طولانی ذخیره کند. با این حال، دستیابی به این امر به دلیل عوامل خارجی مختلف ساده نیست. از آنجایی که فوتون‌ها کوچک‌ترین ذرات نور هستند، محدود کردن فوتون‌ها سخت است و به راحتی از بین می‌روند. اختلالات در تراشه کیوبیت که در داخل حفره قرار می گیرد، منابع مهم میرایی فوتون و ناپیوستگی است. تشکیل یک لایه اکسید ناخواسته روی سطح حفره باعث کاهش بیشتر عمر فوتون می شود.

مهندسی طراحی جدید حفره

رهبری سرژ روزنبلوم, فابین لافونت, افیر میلول, بارکای گوتل, اوری گلدبلات و نیتزان کان، وایزمن تیم با طراحی یک حفره نیوبیوم ابررسانا کم تلفات که از کیوبیت تک فوتونی با عمر طولانی پشتیبانی می کند، بر این چالش ها غلبه کرد. آنها از نیوبیوم بسیار خالص برای ساخت دو قسمت مجزا از حفره استفاده کردند و بعداً قطعات را به هم جوش دادند تا از نشت فوتون ها به بیرون جلوگیری کنند. آنها همچنین اکسید و آلاینده های سطحی را با پرداخت شیمیایی حفره حذف کردند.

ساختار حاصل کمی شبیه یک چتر باز است، با هندسه ای نیمه بیضی شکل که به یک موجبر باریک تبدیل می شود که در آن دسته چتر قرار دارد. مانند یک آنتن بشقاب ماهواره ای که دارای سطح منحنی است که امواج رادیویی را به سمت نقطه کانونی خود منعکس می کند، ساختار بیضوی حفره میدان الکترومغناطیسی را در مرکز سطح صاف نیمه دیگر حفره متمرکز می کند (تصویر را ببینید).

<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="تنظیم حفره سمت چپ: نمودار تراشه ترانسمون تیم که در داخل موجبر باریک قرار گرفته و تا حدی به داخل حفره ابررسانای نیمه بیضوی بیرون زده است. سمت راست: عکسی از دو نیمه حفره قبل از مونتاژ. (با احترام: Milul et al., "Superconducting Cavity Qubit with Teens 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”>

روزنبلوم می‌گوید هنگامی که تیم حفره را آماده کرد، "بزرگترین چالش این بود که یک کیوبیت ترانسمون ابررسانا را در یک حفره ادغام کنیم بدون اینکه عمر فوتون حفره کاهش یابد." این ما را به عمل متعادل کننده بدنام در سیستم های کوانتومی بین قابلیت کنترل در یک طرف و ایزوله از طرف دیگر بازمی گرداند.

محققان با قرار دادن تنها حدود 1 میلی متر از تراشه ترانسمون در داخل حفره بیضوی به این تعادل دست یافتند، در حالی که بقیه در داخل موجبر قرار دارد. این پیکربندی تلفات ناشی از تراشه را به حداقل می رساند. قرار گرفتن محدود حفره با تراشه، با این حال، برهمکنش حفره-ترانسمون را تضعیف می کند، بنابراین محققان با اعمال پالس های مایکروویو قوی برای رمزگذاری حالت کیوبیت در حفره، این را جبران کردند.

استفاده از یک حفره برای حافظه کوانتومی و تصحیح خطای کوانتومی

به لطف این طراحی ابتکاری حفره، محققان به طول عمر تک فوتون 25 میلی ثانیه و زمان انسجام 34 میلی ثانیه دست یافتند. این یک پیشرفت قابل توجه نسبت به حفره پیشرفته قبلی است که زمان انسجام حدود 2 میلی ثانیه داشت.

روزنبلوم و همکارانش همچنین یک روش تصحیح خطا به نام تصحیح خطای کوانتومی بوزونی را نشان دادند که به موجب آن اطلاعات کیوبیت در فوتون‌های متعددی که حفره را اشغال می‌کنند (به اصطلاح حالت‌های گربه شرودینگر) ذخیره می‌شود. این حالت کیوبیت شکننده را با ذخیره آن در بسیاری از فوتون‌های حفره، نه فقط در تعداد کمی، حفظ می‌کند. اشکال این است که با افزایش تعداد فوتون های ذخیره شده، نرخ تلفات فوتون نیز افزایش می یابد. با وجود این محدودیت، تیم وایزمن به حالت های گربه شرودینگر با اندازه 1024 فوتون دست یافت. این با تعداد متوسط ​​256 فوتون مطابقت دارد که 10 برابر بزرگتر از نمونه های قبلی است - پیشرفت قابل توجهی که می تواند عملکرد تصحیح خطای کوانتومی بوزونی را بهبود بخشد.

با طول عمر فوتون چهار مرتبه بزرگتر از زمان مورد نیاز برای عملیات دروازه، این پیشرفت زمان کافی برای کنترل کیوبیت قبل از از دست دادن اطلاعات فراهم می کند. با نگاهی به آینده، روزنبلوم می‌گوید که هدف تیم تحقق عملیات کوانتومی روی این حفره‌ها با وفاداری بی‌سابقه یا احتمال موفقیت است. قابل ذکر است، وی اشاره می کند که پس از انتشار این مطالعه در PRX کوانتومی، این تیم عمر تک فوتون را بیش از دو برابر کرده و به 60 میلی ثانیه رسانده است که نشان دهنده پتانسیل قابل توجهی برای پیشرفت بیشتر است.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/