کیوبیت‌های با عمر طولانی به‌عنوان «جزایر» در یک محیط پر سر و صدا زنده می‌مانند - دنیای فیزیک

کیوبیت‌های با عمر طولانی به‌عنوان «جزایر» در یک محیط پر سر و صدا زنده می‌مانند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 5 فوریه 2024، 4:30 صبح

تصویری که جفت‌های یون تربیوم را نشان می‌دهد که به‌صورت نقطه‌هایی با فلش‌های چرخشی پوشانده شده توسط کره‌های محافظ درخشان، در مقابل پس‌زمینه‌ای آشفته از قطعات شکسته فلز نشان داده شده‌اند.
مزاحم نیست: در یک سیستم متراکم، برخی از یون‌های تربیوم حالت‌های جفتی را تشکیل می‌دهند که نمی‌توانند با یون‌های تربیوم مجاور تعامل داشته باشند. آنها که از محیط آشفته خود محافظت می‌شوند، می‌توانند به عنوان کیوبیت با طول عمر انسجام بسیار طولانی عمل کنند. (تقدیم: استودیو الا مارو)

مدت زمانی که بیت های کوانتومی (کیوبیت ها) ماهیت کوانتومی خود را حفظ می کنند برای محاسبات کوانتومی بسیار مهم است زیرا تعداد و پیچیدگی محاسباتی را که می توانند انجام دهند تعیین می کند. برای چندین دهه، عقل مرسوم این بوده است که افزایش این به اصطلاح زمان انسجام به معنای محافظت از کیوبیت ها از یکدیگر و از آشفتگی های خارجی است. با این حال، اکنون محققان مؤسسه پل شرر سوئیس، ETH زوریخ و EPF لوزان این ایده را با نشان دادن اینکه برخی کیوبیت‌ها می‌توانند برای مدت طولانی‌تری در یک محیط پر سر و صدا زنده بمانند، تغییر داده‌اند.

مانند رایانه‌های کلاسیک که اطلاعات را در بیت‌هایی ذخیره می‌کنند که دارای مقادیر 0 یا 1 هستند، محاسبات کوانتومی به سیستم‌هایی متکی است که در دو حالت ممکن وجود دارند. تفاوت این است که کیوبیت ها نیز می توانند در برهم نهی این دو حالت باشند. این ابهام است که آنها را قادر می‌سازد محاسبات خاصی را بسیار سریع‌تر از ماشین‌های کلاسیک انجام دهند، اما حالت‌های کوانتومی شکننده هستند و تمایل به جداسازی دارند - به این معنی که آنها مانند 0 و 1‌های کلاسیک رفتار می‌کنند و اطلاعات کوانتومی ارزشمند خود را از دست می‌دهند.

در آخرین کار، محققان به رهبری دانشمند فوتونیک گابریل اپلی کیوبیت‌های حالت جامد ساخته‌شده از یون‌های تربیوم دوپ شده به کریستال‌های لیتیوم فلوراید ایتریوم (YLiF) را مطالعه کرد.4). این یون ها دارای دو سطح کوانتومی کم ارتفاع با اختلاف انرژی در حوزه فرکانس ارتباطات 5G هستند و این سیستم های دو حالته هستند که محققان به عنوان کیوبیت های خود استفاده کردند. آنها دریافتند که در حالی که اکثر کیوبیت ها فقط زمان انسجام متوسطی را تجربه می کنند، تعداد انگشت شماری از کیوبیت ها که در جفت یون های تربیوم که نزدیک به هم قرار دارند تشکیل می شوند "بسیار منسجم" هستند.

قله های تیز و متمایز

محققان این کیوبیت‌های منسجم غیرمعمول را با استفاده از طیف‌سنجی مایکروویو و پروب‌های اکو اسپین، که به‌طور معمول برای اندازه‌گیری زمان‌های همدوسی استفاده می‌شوند، مشاهده کردند. آن‌ها پیک‌های بسیار تیز و متمایز را در اندازه‌گیری‌های اکو خود پیدا کردند که مربوط به زمان‌های همدوسی بسیار طولانی‌تر (در برخی موارد 100 برابر بیشتر) برای کیوبیت‌های یون جفتی نسبت به کیوبیت‌هایی است که در فواصل متوسط ​​از همسایگان خود قرار دارند. تیم این زمان‌های انسجام طولانی را با ذکر این نکته توضیح می‌دهد که یون‌های جفت شده نمی‌توانند انرژی را با یون‌های مجزای مجاور مبادله کنند و بنابراین در اثر برهمکنش با آنها مختل نمی‌شوند.

توضیح می‌دهد: «هدف از این تحقیق اثبات این موضوع بود که امکان تولید برهم‌نهی‌های همدوس کوانتومی سطوح میدان کریستالی (سازمان‌های مختلف کم انرژی الکترون‌ها روی یون‌های کمیاب) حتی در غلظت‌های نسبتاً بالای یون‌ها وجود دارد. عضو تیم مارکوس مولر. در ابتدا، اصلاً مشخص نبود که بتوانیم در چنین محیط پر سر و صدایی انسجامی را ببینیم و این یک کشف پیش‌بینی نشده بود که انسجام در بین موجودات دوپینگ شده بسیار غیریکنواخت است و «جزایر» با انسجام بالا می‌توانند زنده ماندن."

او اضافه می‌کند که این کشف می‌تواند به طراحی معماری‌های محاسباتی کوانتومی کمک کند – به‌ویژه برای طرح‌هایی که کیوبیت‌ها به‌طور تصادفی در یک ماتریس میزبان کاشته می‌شوند. سایر کاربردهای بالقوه شامل استفاده از کیوبیت ها به عنوان حسگرهای کوانتومی برای دینامیک مغناطیسی در محیط آنها است. به عنوان مثال، این ممکن است محققان را قادر سازد تا سرعت انتشار اسپین را در سیستم‌های تصادفی و دوقطبی جفت شده در مطالعات محلی‌سازی بدنه‌های متعدد و نقشی که فعل و انفعالات دوقطبی در تخریب آن ایفا می‌کنند، بررسی کنند.

بهینه سازی حساسیت جفت کیوبیت ها

با نگاه به آینده، هدف محققان بهینه‌سازی حساسیت جفت کیوبیت‌ها و بازآفرینی برهم‌نهی‌های کوانتومی حالت‌های الکتروهسته‌ای محلی در مواد میزبان که عاری از اسپین هسته‌ای هستند، هستند. حذف اسپین هسته ای منابع ناخواسته نویز مغناطیسی را که در YLiF است به حداقل می رساند4 در درجه اول از اسپین اتم های فلوئور بوجود می آیند.

مولر می گوید: "ما همچنین سعی خواهیم کرد به برهم نهی های منسجم مشابهی از حالات یونی با تکانه زاویه ای متفاوت دست یابیم." اینها دامنه فرکانس‌های تحریک را از ناحیه مایکروویو (30 گیگاهرتز) که در حال حاضر استفاده می‌کنیم به محدوده نوری گسترش می‌دهند، جایی که در دسترس بودن لیزرهای قوی امکان زمان‌های تحریک سریع‌تر (فرکانس‌های رابی) را فراهم می‌کند. در واقع، ما قبلاً نتایج اولیه امیدوارکننده‌ای در این راستا به دست آورده‌ایم.»

این تیم همچنین در حال بررسی راه‌هایی برای استفاده از جفت‌های ناخالص در زمینه پردازش اطلاعات کوانتومی یا محاسبه با مواد ناخالص در سیلیکون هستند.

مطالعه به تفصیل در فیزیک طبیعت.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک