Az új szupravezető üreges qubit a kvantumkoherencia határait feszegeti – Fizika világ

A kvantumszámítás története során a szupravezető qubitek koherenciaideje – vagyis az az idő, ameddig megőrzik kvantuminformációikat – drasztikusan javult. Az egyik jelentős javulás a szupravezető qubitek háromdimenziós mikrohullámú rezonátor üregekbe való elhelyezése, amelyek megőrzik a qubit állapotát az üregben tárolt fotonokba kódolva.

Egy közelmúltban végzett tanulmányukban az izraeli Weizmann Tudományos Intézet kutatói kitágították ennek a módszernek a határait egy új, háromdimenziós üreges qubit-beállítás bemutatásával, 34 ezredmásodperces (ms) egyfoton koherenciaidővel. A hosszú koherenciaidő kulcsfontosságú az alacsony hibás qubit műveletek eléréséhez (ezáltal csökken a hibatűréshez szükséges hardver), az új koherenciaidő pedig több mint egy nagyságrenddel megdönti a korábbi rekordot.

A qubitok rendkívül érzékenyek a környezetükre, és a zaj miatt könnyen elveszítik az információkat. A qubit állapotok hosszabb ideig tartó megőrzése érdekében a kutatók a mikrohullámú rezonátor üregeihez fordultak tárolóeszközként. Amint a nevük is sugallja, ezek az üregek háromdimenziós struktúrák, amelyek egy üreges teret tartalmaznak, amelyet egy szupravezető transzmon qubit chip és a vele kölcsönhatásba lépő mikrohullámú fotonok befogadására terveztek. Egy meghatározott mikrohullámú impulzusok alkalmazását magában foglaló kódolási folyamat révén a qubit állapot átkerül az üreg állapotba, és ott tárolódik. A kívánt periódus letelte után az állapot lekérhető úgy, hogy visszakódolja a transzmonba. Az üreg tehát döntő szerepet játszik a benne elhelyezett qubit szabályozásában és mérésében.

A kvantuminformáció-feldolgozás gyakorlati alkalmazásához az üregnek képesnek kell lennie a kvantumállapot hosszabb ideig történő tárolására. Ennek megvalósítása azonban különböző külső tényezők miatt nem egyszerű. Mivel ezek a legkisebb fényrészecskék, a fotonokat nehéz behatárolni, és könnyen elvesznek. Az üregben elhelyezett qubit chipben fellépő zavarok jelentős forrásai a fotoncsillapításnak és a dekoherenciának. A nem kívánt oxidréteg kialakulása az üreg felületén tovább csökkenti a fotonok élettartamát.

Újszerű üregkialakítás tervezése

Által vezetett Serge Rosenblum, Fabien Lafont, Ofir Milul, Barkay Guttel, Uri Goldblatt és a Nitzan Kahn, a Weizmann csapat legyőzte ezeket a kihívásokat egy alacsony veszteségű szupravezető nióbium üreg tervezésével, amely támogatja a hosszú élettartamú egyfoton qubitet. Nagy tisztaságú nióbiumot használtak az üreg két különálló részének elkészítéséhez, majd később összehegesztették a részeket, hogy megakadályozzák a fotonok kiszivárgását. Az oxidot és a felületi szennyeződéseket is eltávolították az üreg kémiai polírozásával.

Az így kapott szerkezet egy kicsit nyitott esernyőhöz hasonlít, fél-elliptikus geometriájával, amely egy keskeny hullámvezetővé fejlődik, ahol az esernyő fogantyúja lenne. Mint egy parabolaantenna antennája, amelynek ívelt felülete a gyújtópontja felé veri vissza a rádióhullámokat, az üreg elliptikus szerkezete az üreg másik felének sík felületének közepére koncentrálja az elektromágneses teret (lásd a képet).

<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="Az üreg kialakítása Balra: diagram a csapat transzmon chipjéről, amely a keskeny hullámvezető belsejébe került, és részben kinyúlik a fél elliptikus szupravezető üregbe. Jobbra: Az üreg két felének fényképe összeszerelés előtt. (Jóvolt: Milul et al., "Superconducting Cavity Qubit with Tens of Milliseconds Single-Photon Coherence Time", PRX Quantum 4 030336 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.030336; Serge Rosenblum)” title=”Kattintson a kép megnyitásához a felugró ablakban” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of -quantum-koherence-physics-world.png”>

Miután a csapat előkészítette az üreget, „a legnagyobb kihívás az volt, hogy egy szupravezető transzmon qubitet integráljunk egy üregbe anélkül, hogy csökkentenék az üreg foton élettartamát” – mondja Rosenblum. "Ez visszavezet minket a hírhedt egyensúlyi aktushoz a kvantumrendszerekben az egyik oldalon a szabályozhatóság és a másik oldalon az elszigeteltség között."

A kutatók úgy érték el ezt az egyensúlyt, hogy a transzmon chipnek csak körülbelül 1 milliméterét helyezték el az elliptikus üregben, míg a többit a hullámvezető belsejében helyezték el. Ez a konfiguráció minimalizálja a chip okozta veszteségeket. Az üreg korlátozott kitettsége a chipnek azonban gyengíti az üreg-transzmon kölcsönhatást, ezért a kutatók ezt azzal kompenzálták, hogy erős mikrohullámú impulzusokat alkalmaztak a qubit állapot kódolására az üregben.

Egy üreg kihasználása a kvantummemóriához és a kvantumhiba-korrekcióhoz

Ennek az innovatív üregkialakításnak köszönhetően a kutatók 25 ms-os egyfoton élettartamot és 34 ms koherenciaidőt értek el. Ez jelentős előrelépés a korábbi csúcstechnológiás üreghez képest, amelynek koherenciája körülbelül 2 ms volt.

Rosenblum és munkatársai a bozonikus kvantumhiba-korrekció néven ismert hibajavító módszert is bemutattak, amelynek során a qubit információit redundánsan tárolják több fotonban, amelyek elfoglalják az üreget (úgynevezett Schrödinger macskaállapotok). Ez megőrzi a törékeny qubit állapotot azáltal, hogy sok üregfotonban tárolja, nem csak néhányban. Hátránya, hogy a tárolt fotonok számának növekedésével a fotonveszteség aránya is nő. E megkötés ellenére a Weizmann-csapat elérte a Schrodinger macskaállapotokat 1024 foton mérettel. Ez átlagosan 256 fotonnak felel meg, ami 10-szer nagyobb, mint a korábbi demonstrációk – ez egy figyelemre méltó előrelépés, amely javíthatja a bozonikus kvantumhiba-korrekció teljesítményét.

A fotonok élettartama négy nagyságrenddel nagyobb, mint a kapuműveletekhez szükséges idő, ez az áttörés elegendő időt biztosít a qubit vezérlésére, mielőtt az információvesztést szenvedne. A jövőre nézve Rosenblum szerint a csapat célja, hogy kvantumműveleteket hajtson végre ezeken az üregeken, példátlan hűséggel vagy a siker valószínűségével. Nevezetesen megemlíti, hogy miután a tanulmányt ben publikálták PRX Quantum, a csapat több mint kétszeresére, 60 ms-ra növelte az egyfoton élettartamát, ami jelentős előrelépési lehetőségeket jelez.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/