A gyorsan cserélődő fotonok kiváló minőségű kvantumkaput készítenek – a fizika világát

A kvantumszámítógépek forradalmasíthatják a tudományt, de a kvantumbitek (qubitek), amelyeken futnak, törékenyek. A kvantumszámítások szempontjából kulcsfontosságú, hogy ezeket a qubiteket gyorsan tudjuk manipulálni, még mielőtt a környezetükkel való kölcsönhatások a bennük lévő kvantuminformáció lebomlását okoznák.

A kvantumbitek tárolásának ígéretes módja a fény diszkrét energiaszintjébe való kódolása egy kvantumrezonátorban, például egy szupravezető üregben. Több ilyen üreg kezelése azonban kihívást jelenthet a hamis kölcsönhatások vagy további hibacsatornák miatt, amelyek befolyásolják a tárolt kvantuminformációkat. Kutatók a Yale Quantum Institute Az Egyesült Államokban most találtak részleges megoldást erre a problémára egy olyan rendszer kifejlesztésével, amely gyorsan továbbítja a fotonokat egyik üregből a másikba anélkül, hogy károsítaná a fotonok kvantumállapotát. Ez az eredmény lényeges lépés a rezonátorokon alapuló kvantumszámítógépek gyors és jó minőségű kvantumkapujának kialakítása felé.

Nyaláb-osztó kölcsönhatás tervezése CSIGA segítségével

A tanulmányban, amely ben jelent meg PRX Quantum, kutatók in Robert Schoelkopf laborja A Yale-nél egy SNAIL (superconducting nonlinear assymmetric inductive element) nevű csatolóelemet használtak két szupravezető mikrohullámú üreg közötti cserekölcsönhatás közvetítésére. A CSIGA külső mágneses térrel történő hangolásával elnyomták a két üreg közötti hamis kölcsönhatásokat, így csak az ún.sugárosztó” kölcsönhatás. Hasonlóan a lineáris optikához, amelyben a fénysugarat ketté lehet osztani (például) egy félig átlátszó tükör segítségével, ez a kölcsönhatás lehetővé teszi a két üreg közötti gerjesztést 50:50 arányban egy adott interakciós időre.

Ennek demonstrálására a kutatók az egyik rezonátort egyetlen fotonnal inicializálták, a másik rezonátort pedig a vákuumban hagyták. Amikor a SNAIL csatolót az optimális működési módra hangolták, megfigyelték, hogy a két üreg 500-szor felcseréli a fotont egymás között, mielőtt a rendszer dekoherált (vagyis a környezettel való maradék kölcsönhatások miatt elvesztette kvantumtermészetét). csak 250 nanoszekundum cserénként.

One of the researchers’ goals was for the resonators to swap photons rapidly when the coupling is on, while ensuring that the cavities do not interact when the interaction is turned off, thereby avoiding detrimental effects on the stored quantum information. To this end, the researchers measured the rate at which photons are swapped relative to the most prominent interaction between non-interacting periods. They found that the value of this on-off ratio exceeded 10⁵, indicating minimal unwanted interactions caused by the coupling element.

"Az ebben a munkában bemutatott SNAIL csatoló lehetővé teszi a szomszédos üregekben kódolt qubitek közötti gyors sugárosztó kölcsönhatást, miközben elnyomja mind a kölcsönhatásokat, amelyek ronthatják a qubit koherenciáját, és azokat is, amelyek nemkívánatos csatolásokat indukálnak a qubitek között" - magyarázza Stijn de Graaf. PhD hallgató a Yale-en és a tanulmány egyik szerzője. Hozzáteszi, mindkét hatás „végső soron korlátozta a korábbi megközelítéseket”.

A fotonok szabályozott cseréje qubittel

Új elrendezésük első alkalmazásaként a kutatók végrehajtották a két üreg felcserélését, amelyeket az egyik rezonátorhoz csatlakoztatott qubittel lehet vezérelni. Ha ez a vezérlő qubit alapállapotban van, a két üreg közötti fotonok nem cserélődnek fel, de ha a vezérlő qubit gerjesztett, az üregekben lévő állapotok helyet cserélnek.

Ez az úgynevezett kontrollált SWAP művelet kulcsfontosságú kapu a kvantum véletlen hozzáférésű memória (QRAM) és számos kvantum algoritmus kvantummegvalósítása számára. A kontroll qubit két energiaszintje közötti egyenlő szuperpozícióban történő elkészítésével a csapat létrehozta a Bell állapotot is – egy maximálisan összefonódott állapotot a két üregben, amely az üregekben lévő felcserélt és fel nem cserélt állapotok egyenlő szuperpozíciójából hozható létre.

Alkalmazás kétsínes qubitekre

A kutatók azt remélik, hogy mások is felhasználják majd felfedezéseiket a kvantumrezonátorok energiaszintjébe kódolt qubitekre, amelyekben hibadetektálható kapuk családjait tervezik. Ezek az ún bozonikus kódok nagy lehetőségeket mutatnak a hardver-hatékony kvantumhiba-javítás megvalósításában, ami elengedhetetlen a nagyméretű kvantumszámítógépek fejlesztéséhez.

A szilíciumrezonátorok megfelelnek a kvantumösszefonódás Bell-tesztjén

A közeljövőben de Graaf azt mondja, hogy a csapat elsődlegesen az eszköz használatára összpontosít, amellyel az újonnan javasolt építőelemek egyik kulcsfontosságú elemét megvalósíthatják. szupravezető kétsínes qubit. Ez a típusú qubit egyetlen fotont használ két mikrohullámú üreg egyikében tárolt logikai állapotként, és lehetővé teszi bizonyos hibák észlelését és megjelölését. Egy hiba ezután a kvantumszámítás során kezelhető. Ha a hibák nagyon nagy hatékonysággal észlelhetők, akkor lehetséges a skálázható kvantumszámítás anélkül, hogy aktív hibajavításra lenne szükség. Az ebben a munkában bemutatott gyors nyaláb-osztó kölcsönhatás tehát elengedhetetlen építőelem a kétsínes qubit egyetlen fotonveszteségének észleléséhez, amely jelenleg a legjelentősebb hibaforrás ezen a hardverplatformon.

Ennek eléréséhez azonban néhány technikai fejlesztésre lesz szükség. „Kétségtelen, hogy továbbra is növelni akarjuk ennek a rendszernek az összes műveletének hűségét” – mondja de Graaf. "Ez lehetővé teszi, hogy a hibaarány a lehető legmesszebbre csökkenjen a kvantumhiba-javító küszöbértékek alatt, és ezáltal lehetővé válik számunkra, hogy drámai módon csökkentsük a hibatűrő kvantumszámítógépekhez szükséges qubitek számát."

• 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. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• ChartPrime. Emelje fel kereskedési játékát a ChartPrime segítségével. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/rapidly-swapping-photons-make-a-high-quality-quantum-gate/